CAMPUS CATALÃO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL. Estruturas de Aço. Tópico:

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1 CAMPUS CATALÃO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Estruturas de Aço Tópico: Conceituação de Ligações e Dimensionamento e Verificação de Ligações Parafusadas Conceitos Gerais O termo LIGAÇÃO se aplica aos detalhes construtivos que promovem a união de partes da estrutura. Um ponto importante na etapa de projeto é a definição do sistema de ligação a ser adotado entre os elementos que compõem a estrutura metálica como: vigas, pilares e contraventamentos. As ligações devem ser convenientemente concebidas de modo que as mesmas se comportem emtermosderotações e deslocamentos conforme consideradas na análise da estrutura. É fundamental que os elementos de ligação (chapas, parafusos, soldas, etc.) apresentem resistência mecânica compatível com o aço utilizado na estrutura. 2 1

2 1. Conceitos Gerais A escolha criteriosa entre um sistema de ligação soldado e/ou parafusado, pode significar uma obra mais econômica e tornar a montagem mais rápida e funcional. Seaintençãodoprojetofordeixaras estruturas aparentes, o desenho das ligações assume uma importância maior. Oformato, posição e quantidade de parafusos, chapas de ligação gç e nervuras de enrijecimento, são alguns dos itens que podem ter um forte apelo estético se convenientemente trabalhados pelo arquiteto em conjunto com o engenheiro calculista Conceitos Gerais Aspectos importantes para a escolha: condições de montagem no local da obra; grau de dificuldade para fabricação da peça; padronização das ligações. 4 2

3 2. Classificação das ligações quanto à rigidez LIGAÇÕES RÍGIDAS ENGASTADAS LIGAÇÕES SEMI-RÍGIDAS LIGAÇÕES FLEXÍVEIS ROTULADAS Na realidade não existem ligações perfeitamente rígidas ou perfeitamente flexíveis. Agrupamos as ligações em RÍGIDAS ou FLEXÍVEIS de acordo com o seu GRAU DE RIGIDEZ (ou de ENGASTAMENTO) 5 2. Classificação das ligações quanto à rigidez 6 3

4 2. Classificação das ligações quanto à rigidez Propriedades das ligações flexíveis As LIGAÇÕES FLEXÍVEIS são caracterizadas por NÃO APRESENTAREM RESTRIÇÃO À ROTAÇÃO, devendo permitir uma rotação relativa da ordem de 80% ou mais, daquela teoricamente esperada, se ela fosse livre a girar. Este tipo de ligação TRANSMITE APENAS ESFORÇO CORTANTE, sendo muito utilizada, entre outros motivos, devido ao seu MENOR CUSTO. 8 4

5 2.1 Propriedades das ligações flexíveis Exemplo de ligação flexível com cantoneira na alma e placa de extremidade: Propriedades das ligações flexíveis Exemplo de ligação flexível com cantoneira na alma e placa de extremidade: 10 5

6 2.1 Propriedades das ligações flexíveis Exemplo de ligação flexível com apoio no flange Propriedades das ligações rígidas As LIGAÇÕES RÍGIDAS são caracterizadas por IMPEDIR A ROTAÇÃO RELATIVA ENTRE A VIGA E O PILAR. Após o carregamento da estrutura, deverá existir na ligação, uma restrição igual ou superior a 90% daquela teoricamente necessária à ocorrência de nenhuma rotação. É MAIS ONEROSA EM COMPARAÇÃO ÀS FLEXÍVEIS, pois TRANSMITE, ALÉM DO ESFORÇO CORTANTE, MOMENTO FLETOR. No entanto, pode tornar-se interessante do ponto de vista da economia global da estrutura. 12 6

7 2.2 Propriedades das ligações rígidas Exemplo de ligação rígida com chapa de extremidade soldada na viga e parafusada no pilar: Propriedades das ligações rígidas Exemplo de ligação rígida com cantoneiras parafusadas na alma: 14 7

8 3 Ligações parafusadas Independentemente do tipo (rígida ou flexível), as ligações podem ser executadas utilizando-se SOLDAS ou CONECTORES. Neste item estudaremos a união de peças estruturais utilizando-se PARAFUSOS. 3.1 Tipos de parafusos Parafusos comuns ASTM A307 ou A307 Apresentam baixa resistência mecânica, sendo, portanto, utilizados em ligações de pequenas treliças, estruturas leves, peças secundárias como guarda-corpos, corrimãos, terças e outras pouco solicitadas Tipos de parafusos Parafusos de alta resistência Especificados para ligações de maior responsabilidade. Devido à característica de alta resistência, as ligações geralmente têm um número mais reduzido de parafusos e chapas de ligação menores 16 8

9 3.1 Tipos de parafusos Parafusos de alta resistência Por atrito A325-F e A490-F (F Friction) Neste tipo de parafuso é dada uma protensão queémedidapelo torque dado na porca. A protensão faz com que as chapas a serem ligadas tenham uma grande resistência ao deslizamento relativo Tipos de parafusos Parafusos de alta resistência Por contato A325-N e A490-N (N Normal) No parafuso tipo N (Normal) aroscadoparafusoseencontrano plano de corte da ligação. Como a área da seção transversal do parafuso na região da rosca é menor que a área do corpo, sua resistência é menor que a do parafuso tipo (X). 18 9

10 3.1 Tipos de parafusos Parafusos de alta resistência Por contato A 325-X e A490-X (X excluded) No parafuso tipo X (excluded) a rosca do parafuso está fora do plano de cisalhamento do parafuso Dimensionamento de ligações parafusadas Para o dimensionamento das peças parafusadas deve-se verificar se a solicitação i napeçaultrapassa a sua capacidade d resistente para os diversos modos de ruptura, respeitados oscoeficientesdesegurança. Dessa forma a condição de estabilidade será dada por: F t,sd F t,rd F t,sd solicitação it decálculo l F t,rd resistência de cálculo dada em função do tipo de ruptura a que a peça está sujeita (corte do conector, pressão no apoio, rasgamento na chapa ou ruptura à tração do conector)

11 3.2 Dimensionamento de ligações parafusadas NBR 8800/2008 item : Ligações sujeitas a uma força solicitante de cálculo, em qualquer direção, inferior a 45kN, excetuando-se diagonais e montantes de travejamento de barras compostas, tirantes constituídos de barras redondas, travessas de fechamento lateral e terças de cobertura de edifícios, devem ser dimensionadas para uma força solicitante de cálculo igual a 45kN, com direção e sentido da força atuante Dimensionamento de ligações parafusadas NBR 8800/2008 item : Recomenda-se, a critério do responsável técnico pelo projeto, que as ligações de barras tracionadas ou comprimidas sejam dimensionadas no mínimo para 50 % da força axial resistente de cálculo da barra, referente ao tipo de solicitação que comanda o dimensionamento da respectiva barra (tração ou compressão)

12 3.2 Dimensionamento de ligações parafusadas NBR 8800/2008 item : Devem ser usados soldas ou parafusos de alta resistência com protensão inicial em ligações por contato ou por atrito nos seguintes casos: a) emendas de pilares nas estruturas de andares múltiplos com mais de 40 m de altura; b) ligações de vigas com pilares e com quaisquer outras vigas das quais depende o sistema de contraventamento, nas estruturas com mais de 40 m de altura; Dimensionamento de ligações parafusadas NBR 8800/2008 item : c) ligações e emendas de treliças de cobertura, ligações de treliças com pilares, emendas de pilares, ligações de contraventamentos de pilares, ligações de mãos francesas ou mísulas usadas para reforço de pórticos e ligações de peças-suportes de pontes rolantes, nas estruturas com pontes rolantes de capacidade superior a 50 kn; d) ligações de peças sujeitas a ações que produzam impactos ou tensões reversas

13 3.2 Dimensionamento de ligações parafusadas NBR 8800/2008 item : Para os casos não citados em , as ligações podem ser feitas com parafusos de alta resistência sem protensão inicial ou com parafusos comuns Dimensionamento de ligações parafusadas Para o dimensionamento de ligações parafusadas precisamos determinar a menor resistência entre a peça (na região com esem furos) e: a) o cisalhamento no corpo do parafuso; b) a pressão de contato nos furos (esmagamento e rasgamento). Para os parafusos do tipo (F) devemos verificar a resistência ao deslizamento e, caso essa resistência seja superada, verificar os itens (a) e (b) como se fosse parafuso do tipo (N)

14 3.2.1 Tipos de ruptura em ligações com conectores Ruptura por corte do fuste do conector Ruptura por rasgamento da chapa entre o furo e a borda ou entre dois furos consecutivos Ruptura por esmagamento da chapa na superfície de apoio do fuste do conector Ruptura por tração da chapa na seção transversal líquida Dimensionamento de parafusos Tração NBR8800/2008 item A força de tração resistente de cálculo de um parafuso tracionado ou de uma barra redonda rosqueada tracionada é dada por : f ub é a resistência à ruptura do material do parafuso ou barra redonda rosqueada à tração, especificada noanexo A; A be é a área efetiva, definida em No caso de barras redondas rosqueadas, a força resistente de cálculo não deve ser superior a A b f y / γ a

15 3.2.3 Área efetiva do parafuso ou barra redonda rosqueada, para tração (NBR8800/2008 item ) 2) A be = 0,75*A b A b = 0,25*π*d b 2 A be é a área resistente ou área efetiva de um parafuso ou de uma barra redonda rosqueada, para tração; A b é a área bruta, baseada no diâmetro do parafuso ou barra redonda rosqueada d b Dimensionamento de parafusos ao cisalhamento NBR8800/2008 item A força de cisalhamento resistente de cálculo de UM parafuso ou barra redonda rosqueada é, POR PLANO DE CORTE, igual a: Paraparafusosdealtaresistênciaebarras redondas rosqueadas, quando o plano de corte passa pela rosca e para parafusos comuns em qualquer situação: Paraparafusosdealtaresistênciaebarras redondas rosqueadas, quando o plano de corte não passa pela rosca: 30 15

16 3.2.4 Dimensionamento de parafusos ao cisalhamento NBR8800/2008 item Onde: f ub é a resistência à ruptura do material do parafuso ou barra redonda rosqueada à tração, especificada no Anexo A da NBR 8800/2008; A b é a área bruta, baseada no diâmetro do parafuso ou barra redonda rosqueada d b,dadanoitem da NBR 8800/ Dimensionamento de parafusos ao cisalhamento NBR8800/2008 item Os coeficientes γ a2 são fornecidos no item da NBR 8800/2008 (para o ELU) 32 16

17 3.2.4 Dimensionamento de parafusos ao cisalhamento NBR8800/2008 item No caso de cisalhamento duplo multiplicar A e por Dimensionamento da pressão de contato em furos NBR8800/2008 item A forçaresistentedecálculoàpressãodecontatonaparededeum furo, F c,rd, já levando em conta o rasgamento entre dois furos consecutivos ou entre um furo extremo e a borda, é dada por (deve ser atendido também o exposto no item da NBR 8800/2008): No caso de furos-padrão, furos alargados, furos pouco alongados em qualquer direçãoefuros muito alongados na direção da força: 34 17

18 3.2.5 Dimensionamento da pressão de contato em furos NBR8800/2008 item Quando a deformação no furo para forças de serviço for uma limitação de projeto. Quando a deformação no furo para forças de serviço não for uma limitação de projeto. No caso de furos muitos alongados na direção perpendicular p àdaforça: l f é a distância, na direção da força, entre a borda do furo e a borda do furo adjacente ou a borda livre; d b é o diâmetro do parafuso; t é a espessura da parte ligada; f u é a resistência à ruptura do aço da parede do furo Dimensionamento de parafusos em ligações por atrito NBR8800/2008 item O DIMENSIONAMENTO AO CISALHAMENTO É DIFERENCIADO. CONDIÇÃO BÁSICA Não deve ocorrer deslizamento entre os componentes da ligação A força cortante no parafuso deve ser menor que a resistência ao deslizamento. Caso ocorra o deslizamento o parafuso irá se comportar como um parafuso do tipo (N) devendo então ser verificada a resistências ao cisalhamento conforme abordado em

19 3.2.6 Dimensionamento de parafusos em ligações por atrito NBR8800/2008 item O projeto de ligações por atrito com parafusos de alta resistência i precisa levar em conta se o deslizamento é um estado-limite de serviço ou um estadolimite último. Nas ligações com furos alargados e furos pouco alongados ou muito alongados com alongamentos paralelos à direção da força aplicada, o deslizamento deve ser considerado estado-limite último (ver NBR 8800/ item ). 3) Nas ligações com furos-padrão e furos pouco alongados ou muito alongados com alongamentos transversais à direção da força aplicada, o deslizamento deve ser considerado estado-limite de serviço (ver NBR 8800/ item ) Dimensionamento de parafusos em ligações por atrito NBR8800/2008 item Nas situações em que o deslizamento é um ESTADO-LIMITE ÚLTIMO, a força resistente de cálculo de um parafuso ao deslizamento, F f,rd, deve ser igual ou superior à força cortante solicitante de cálculo no parafuso, calculada com as combinações últimas de ações conforme NBR 8800/2008 item

20 3.2.6 Dimensionamento de parafusos em ligações por atrito NBR8800/2008 item F Tb é a força de protensão mínima por parafuso, conforme NBR 8800/2008 item ; F t,sd é a força de tração solicitante de cálculo no parafuso que reduz a força de protensão, calculada com as combinações últimas de ações conforme NBR 8800/2008 item ; η s é o número de planos de deslizamento; γ e é o coeficiente de ponderação da resistência, igual a 1,20 para combinações normais, especiais ou de construção e 1,00 para combinações excepcionais; Dimensionamento de parafusos em ligações por atrito NBR8800/2008 item μ é o coeficiente i médio de atrito, definido id a seguir: 0,35 para superfícies classe A, isto é, superfícies laminadas, limpas, isentas de óleos ou graxas, sem pintura, e para superfícies classe C, isto é, superfícies galvanizadas a quente com rugosidade aumentada manualmente por meio de escova de aço (não é permitido o uso de máquinas); 0,50 para superfícies classe B, isto é, superfícies jateadas sem pintura; 0,20 para superfícies galvanizadas a quente; C h é um fator de furo, igual a: 1,00 para furos-padrão; 0,85 para furos alargados ou pouco alongados; 0,70 para furos muito alongados. 20

21 3.2.6 Dimensionamento de parafusos em ligações por atrito NBR8800/2008 item Nas situações em que o deslizamento é um ESTADO-LIMITE DE SERVIÇO (ver NBR 8800/2008 item ), a força resistente nominal de um parafuso ao deslizamento, F f,rk,deveser igual ou superior à força cortante solicitante característica, calculada com as combinações de ações raras de serviço, conforme NBR 8800/2008 item , ou, simplificadamente, tomada igual a 70% da força cortante solicitante de cálculo Dimensionamento de parafusos em ligações por atrito NBR8800/2008 item F t,sk éaforçadetraçãosolicitantecaracterística no parafuso que reduz a força de protensão, calculada com as combinações de ações raras de serviço, conforme NBR 8800/2008 item , ou, simplificadamente, tomada igual a 70% da força de tração solicitante de cálculo. Todas as considerações feitas anteriormente, relacionadas a acabamento de superfície e calços, permanecem válidas. 21

22 3.2.6 Dimensionamento de parafusos a tração e cisalhamento combinados NBR8800/2008 item Quando ocorrer a ação simultânea de tração e cisalhamento, deve ser atendida a seguinte equação de interação: Ft,Sd é a força de tração solicitante de cálculo por parafuso ou barra redonda rosqueada; Fv,Sd é a força de cisalhamento solicitante de cálculo no plano considerado do parafuso ou barra redonda rosqueada; Ft,Rd e Fv,Rd são dados respectivamente em e Efeito de alavanca NBR8800/2008 item Na determinação da força de tração solicitante de cálculo em parafusos e barras redondas rosqueadas, deve-se levar em conta o efeito de alavanca, produzido pelas deformações das partes ligadas (Figura 17) Caso não se façam análises mais rigorosas, pode-se considerar que o efeito de alavanca tenha sido adequadamente considerado se for atendida pelo menos uma das exigências a seguir: 22

23 3.2.6 Efeito de alavanca NBR8800/2008 item a) na determinação das espessuras das chapas das partes ligadas (t 1 e t 2 ver Figura 17), for empregado o momento resistente plástico (Zf y ) e a força de tração resistente de cálculo dos parafusos ou barras redondas rosqueadas for reduzida em 33 %; b) na determinação das espessuras das chapas das partes ligadas (t 1 e t 2 ver Figura 17), for empregado o momento resistente elástico (Wf y ) e a força de tração resistente de cálculo dos parafusos ou barras redondas rosqueadas for reduzida em 25 % Efeito de alavanca NBR8800/2008 item Adicionalmente, a dimensão a não pode ser inferior à dimensão b (Figura 17). Ao se determinarem as espessuras das chapas das partes ligadas, deve-se tomar a força atuante em um parafuso e a sua largura de influência na chapa, p,p, obtida conforme indicado na (Figura17). 23

24 3.2.6 Efeito de alavanca NBR8800/2008 item Exercício de Aplicação Duas chapas de 204 mm x 12,7 mm em aço ASTM A36 são emendadas com chapas laterais de 9,5 mm e parafusos comuns (A307)Φ22 mm. As chapas estão sujeitas às forças N g = 200 kn, oriunda de carga permanente, e N q = 100 kn, oriunda de carga variável decorrente do uso da estrutura. Verificar a segurança da emenda no estado limite último em combinação normal de ações. 24

25 4. Exercício de Aplicação 25

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