DIMENSIONAMENTO DE LIGAÇÕES EM ESTRUTURAS METÁLICAS

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1 DIMENSIONAMENTO DE LIGAÇÕES EM ESTRUTURAS METÁLICAS Bárbara Daniela Giorgini Sepúlveda Euler de Oliveira Guerra Péricles Barreto Andrade Sabrina Resende Antunes

2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO Objetivo: CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DAS PLANILHAS LIGAÇÕES ANALISADAS Ligação Flexível com duas cantoneiras de extremidades (LCPP LCSP) Ligação Flexível com chapa de extremidade (LCHE) Ligação flexível com chapa simples (LCHS) Ligação rígida com chapa de cabeça parafusada assimétrica (LMPA) Ligação rígida soldada simétrica (LMSS) VERIFICAÇÕES DE resistências EXEMPLO DA PLANILHA ELETRÔNICA CONCLUSÃO REFERÊNCIAS

3 1 INTRODUÇÃO Em todo projeto de estrutura metálica, as ligações entre elementos estruturais constituem um dos aspectos mais importantes. O termo ligação é aplicado a todos os detalhes construtivos que promovam a união de partes da estrutura entre si ou a sua união com elementos externos a ela. Para isso, as ligações se compõem dos elementos estruturais e dos meios de ligação, como conectores e solda. No projeto de uma ligação determinam-se os esforços solicitantes nos seus componentes (parafusos, soldas e acessórios, como chapas ou cantoneiras), os quais devem ser menores que os respectivos esforços resistentes. A rigidez de cada ligação adotada no modelo estrutural deve ser consistente com a rigidez oferecida pelo detalhe projetado para aquela ligação. Em geral, as ligações são modeladas como perfeitamente rígidas ou como rotuladas (flexíveis), podendo ainda ter rigidez intermediária entre esses dois extremos (semi-rígidas). Conhecendo-se os esforços nos componentes da ligação, adota-se um modelo realista para determinar a distribuição de forças nos elementos da ligação. As ligações representam uma parcela pouco significativa do peso total da estrutura, porém, possuem preços de fabricação e montagem elevados. Soluções que considerem economia no projeto das ligações são merecedoras de destaque. 1.1 Objetivo: As ligações estruturais desempenham um papel fundamental no comportamento global das estruturas de aço. Além dos aspectos técnicos relacionados com a resistência, qualidade e segurança é importante levar em consideração que as ligações representam um importante componente no custo da estrutura e compõem a estética da construção. A intenção deste trabalho é oferecer aos profissionais da construção em aço, de forma prática e objetiva, um programa que facilite elaboração do projeto e que faça as inúmeras verificações de resistência das ligações. A forte competitividade no mercado das empresas de consultoria exige reduções importantes nos custos de projeto, o que induz a automatização de todas as etapas do desenvolvimento do projeto. Existem programas de computador que cumprem com eficiência e praticidade etapas como o lançamento da estrutura, definições de materiais, seções transversais de barras, elementos de placas, cascas, sólidos, combinações de carregamentos, análise estática ou dinâmica, linear ou não linear, de primeira ordem ou de segunda ordem, geração de desenhos de fabricação e dimensionamento através de normas nacionais e internacionais. Entretanto, na etapa de cálculo das ligações, reside ainda ausência de automação, embora já existam alguns programas que realizam as verificações de algumas ligações padronizadas. Desenvolveu-se um total de seis planilhas eletrônicas que automatizam as inúmeras verificações necessárias para o funcionamento adequado e seguro de ligações entre perfis I. 3

4 2 CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DAS PLANILHAS Com base na publicação Ligações para estruturas de aço da Gerdau Açominas, foram geradas planilhas eletrônicas, em Excel, nas quais o usuário define as características geométricas dos componentes da ligação e as propriedades mecânicas dos materiais envolvidos. Cada planilha define a resistência da ligação com base nas verificações de desempenho prescritas pela norma ABNT NBR8800/ Projeto e execução de estruturas de aço em edifícios. Foram analisados quatro tipos de ligações flexíveis e dois tipos de ligação rígida. Nas verificações de resistência não foram abordadas as referentes aos elementos suportes, onde estão apoiados os perfis com suas ligações. Ressalta-se então que as verificações destes elementos devem ser contempladas pelo profissional responsável pela análise completa da ligação. O usuário poderá definir tipo de parafuso, solda, espaçamentos entre parafusos e entre parafusos e borda, tipo de aço dos componentes da ligação, perfil soldado, laminado ou eletro-soldado. Desta forma o usuário não fica restrito a padrões préestabelecidos, como os que viabilizaram o desenvolvimento das tabelas de resistência constantes da publicação citada anteriormente. O usuário após a definição dos parâmetros de projeto da ligação obterá uma lista com todas as verificações de resistência, e como informação final, visualizará a menor das resistências determinada pela planilha, a qual define a capacidade de carga da ligação. O grande diferencial das planilhas para a publicação citada está no fato de que o usuário tem visibilidade de qual verificação de desempenho está definindo a resistência da ligação. Com auxílio da planilha, definem-se mudanças no projeto original de forma a gerar uma nova ligação que resista ao esforço solicitante de cálculo, permitindo a otimização do projeto da ligação. 3 LIGAÇÕES ANALISADAS 3.1 Ligação Flexível com duas cantoneiras de extremidades (LCPP LCSP) A figura 1 mostra uma ligação através da alma com duas cantoneiras, as quais podem ser parafusadas nas duas abas (LCPP) ou com duas abas soldadas na viga apoiada e parafusadas no elemento suporte que pode ser viga ou pilar (LCSP). Em geral, as cantoneiras são soldadas à alma da viga e parafusadas ao elemento suporte. Nesse caso considera-se a rótula na face do elemento suporte (plano da ligação parafusada). No caso da verificação da aba soldada, a solda deve ser dimensionada para um cortante e um momento, considerando-se a distância entre a rótula e o centro de gravidade das linhas de solda. 4

5 Figura 1 Ligação rotulada com duas cantoneiras de extremidade. 3.2 Ligação Flexível com chapa de extremidade (LCHE) Esse tipo de ligação, esquematizada na figura 2, engloba as situações em que a viga é conectada ao flange ou à alma de pilar. A chapa de extremidade não necessita ter a mesma altura do perfil da viga. A flexibilidade dessa é ligação garantida pela pequena espessura da chapa de extremidade. Nesse tipo de ligação não são previstos recortes na viga. O esforço normal solicitante de cálculo N d é considerado atuando no centro da ligação produzindo, portanto, momento fletor na viga apoiada. Figura 2 Ligação rotulada com chapa de extremidade. 3.3 Ligação flexível com chapa simples (LCHS) Essa ligação, esquematizada na figura 3, consiste de uma chapa vertical soldada com filete duplo no elemento suporte (pilar) e parafusada na alma da viga apoiada. A ligação é projetada para suportar uma carga vertical e um momento decorrente da excentricidade da força vertical em relação aos parafusos. O esforço normal solicitante de cálculo N d é considerado no centro da ligação, produzindo, portanto, momento fletor na viga apoiada. 5

6 Figura 3 Ligação rotulada com chapa simples. 3.4 Ligação rígida com chapa de cabeça parafusada assimétrica (LMPA) Essas ligações estão projetadas assimetricamente, considerando que o momento atuante sempre traciona os parafusos superiores, objetivando economia de parafusos e mão de obra, conforme esquema da figura 4. Entretanto, quando houver possibilidade de inversão do momento, deverá ser obrigatoriamente projetada uma ligação simétrica, obedecendo às disposições construtivas e a quantidade de parafusos da parte superior deve ser repetida na parte inferior. Figura 4 Ligação rígida com chapa de cabeça parafusada assimétrica. 3.5 Ligação rígida soldada simétrica (LMSS) Essas ligações, conforme esquematizado na figura 5, consistem de uma composição da ligação parafusada com chapa simples na alma da viga, para transmitir a força cortante, com uma ligação soldada com penetração total nas abas da viga, para transmitir o momento fletor. Esse tipo de ligação é bastante utilizado por apresentar custo reduzido e facilidade de posicionamento durante a montagem. A viga fica posicionada por meio da chapa 6

7 simples parafusada na alma, liberando os equipamentos de montagem e posterior execução das soldas das abas. Figura 5 Ligação rígida soldada simétrica. 4 VERIFICAÇÕES DE RESISTÊNCIAS Empregou-se o método dos estados limites para a definição das resistências das ligações, com base nas prescrições da NBR8800. Também conhecido como método dos coeficientes das ações e das resistências, baseia-se na aplicação de coeficientes de segurança tanto às ações nominais quanto às resistências nominais. A partir das combinações das ações de cálculo determinam-se os efeitos de cálculo das ações, que são comparados com as resistências de cálculo. Para ligações com Duas Cantoneiras Parafusadas nas Duas Abas (LCPP) é necessário verificar: Corte dos parafusos Esmagamento e rasgamento nas cantoneiras Esmagamento e rasgamento na alma da viga apoiada Cisalhamento da cantoneira Cisalhamento da alma da viga apoiada - Viga sem recorte - Viga com um recorte - Viga com dois recortes Colapso por rasgamento das cantoneiras ("block shear") Colapso por rasgamento da alma da viga apoiada ("block shear") para vigas com recorte; Início de escoamento da seção bruta devido à tensão normal de flexão no perfil recortado; Flambagem local da alma da viga apoiada na região do recorte; 7

8 Determinação de N d que, em conjunto com 50% de V d, provoca a plastificação das cantoneiras. Para ligação com duas cantoneiras soldadas em uma aba e parafusadas na outra (LCSP), deve-se verificar os mesmos itens descritos acima acrescido da verificação da solda das cantoneiras. Para ligações flexíveis com chapa de extremidade (LCHE) deve-se verificar: Corte dos parafusos Esmagamento e rasgamento na chapa de extremidade Cisalhamento da chapa de extremidade Cisalhamento da alma da viga apoiada Determinação de N d que, em conjunto com 50% de V d, provoca a plastificação da chapa de extremidade Flexão da chapa de extremidade e verificação da solda Para ligações flexíveis com chapa simples (LCHS), foram consideradas duas situações distintas: uma sem força normal na viga apoiada e outra com uma força normal de cálculo máxima, atuando simultaneamente com a metade da força cortante de cálculo. As verificações foram: Corte dos parafusos Esmagamento na chapa Esmagamento na alma da viga Colapso por rasgamento ("block shear") da chapa Colapso por rasgamento ("block shear") da alma do perfil Cisalhamento da chapa Tensão normal na chapa Verificação da solda Flambagem local da chapa Determinação de N dmax, em conjunto com 50% de V dmax Para ligações rígidas com chapa de cabeça assimétrica (LMPA) verificou-se: Resistência ao momento fletor Tração nos parafusos Flexão da chapa de cabeça do perfil Verificação das soldas das mesas Verificação das soldas da alma Corte dos parafusos Corte combinado com tração nos parafusos Para ligações rígidas soldadas simétricas (LMSS) foram verificados todos os itens citados na ligação flexível com chapa simples (LMPA) além dos elementos abaixo: Resistência do Perfil ao momento fletor Resistência das soldas das mesas 8

9 Verificação da ligação da alma com chapa simples 5 EXEMPLO DA PLANILHA ELETRÔNICA Figura 6 Exemplo de uma das planilhas eletrônicas para verificações de resistências em Ligações Flexíveis com Chapa de Extremidade (LCHE). 9

10 6 CONCLUSÃO Algumas divergências foram verificadas entre os valores de resistência calculados pelas planilhas e os valores tabelados na publicação da Açominas. Estas divergências são mais significativas quando se faz análise de ligações submetidas à ação simultânea de força normal e força cortante. Estas divergências serão objeto de análise conjunta com os autores da citada publicação. Este trabalho terá continuidade com a geração de novas planilhas para avaliação de resistência de outros tipos de ligação como: emendas de coluna; bases engastadas e rotuladas de colunas. Esta planilha será apresentada ao setor da Açominas responsável pela geração de produtos de interesse da cadeia produtiva da indústria do aço. Os resultados obtidos com o uso da mesma reduzem significativamente o tempo despendido pelo engenheiro calculista, uma vez que a impressão da mesma gera a memória de cálculo assim como os detalhes necessários para gerar os desenhos de fabricação das peças envolvidas na ligação em análise. 7 REFERÊNCIAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas NB14/86 (NBR 8800) Projeto e execução de Estruturas de Aço de Edifícios. Rio de Janeiro. AISC American Institute of Steel Construction Load and Resistence Factor Design Specification for Structural Steel; Commentary on the AISC LRFD Specification, Chicago, EUA.2 ed. ANDRADE,Péricles Barreto de. Curso Básico de Estruturas de Aço. 3.ed.180p. BELLEI, Idoni. Edifícios Industriais em Aço, 2ed. Editora Pini, São Paulo FILHO, Oswaldo Teixeira Baião.; SILVA, Antonio Carlos Viana. Ligações para estruturas de aço: Guia Prático para Estruturas com Perfis Laminados. 2.ed p.Perfis Gerdau Açominas. LIMA, Luciano Rodrigues Ornelas de. Comportamento de Ligações com Placa de Extremidade em Estruturas de Aço Submetidas a Momento Fletor e Força Axial. Tese de doutorado. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Julho de MOTTA,Leila A. de Castro & MALITE, Maximiliano. ANÁLISE DA SEGURANÇA NO PROJETO DE ESTRUTURAS: MÉTODO DOS ESTADOS LIMITES. Cadernos de Engenharia de Estruturas, São Carlos, n PFEIL, Walter.; PFEIL, Michele. Estruturas de aço: dimensionamento prático. 7 a ed. Livros técnicos e científicos. Rio de Janeiro p. SIDERBRÁS, Grupo.Ligações em estrutura metálica. 3ed. Rio de Janeiro p.(Série Manual de construção em Aço). QUEIROZ, Gilson. Elementos de estruturas de aço. Belo Horizonte