Parafusos e barras redondas rosqueadas

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1 Parafusos e barras redondas rosqueadas Introdução Agora que você já estudou os critérios básicos determinados pela norma brasileira sobre ligações e também os procedimentos utilizados para ligações soldadas, estudará as ligações parafusadas, largamente utilizadas em construções metálicas por ser um processo utilizado em ligações de campo, que não dependem de energia para sua execução. Ligações parafusadas não exigem mão de obra especializada para instalação e inspeção da ligação nem necessitam de equipamentos complexos. Apesar disso, a furação gera pontos fracos na área da ligação e exige processos de cálculo mais complexos. Ao final desta aula, você será capaz de: descrever a sistemática e aspectos relevantes para o dimensionamento de parafusos e barras redondas rosqueadas, mostrando e conceituando as fórmulas, incógnitas e suas relações. Parafusos de alta resistência A NBR 8800 (2008) estabelece que são parafusos de alta resistência aqueles do tipo ASTM A325 e ASTM A490. Sobre o tipo de aperto, deve ser adotada protensão inicial no caso de parafusos A325 sujeitos à tração combinada ou não com cisalhamento sujeito a esforços que gerem afrouxamento ou fadiga, e para parafusos A490 sujeitos à tração combinada ou não com cisalhamento. Além dos casos já discutidos nas limitações de uso de ligações parafusadas e soldadas, a norma determina que apertos normais, quando permitidos, devem ser claramente identificados em projeto, sendo executados por impactos de uma chave de impacto ou esforço máximo de operário com chave normal. As partes ligadas devem garantir firme contato entre si, transferindo adequadamente os esforços. Áreas de cálculo A área de cálculo efetiva de pressão de contato é dada por: Em que representa o diâmetro do parafuso e T a espessura da chapa ligada

2 Com relação à área efetiva de um parafuso resistindo à tração corresponde a 75% da área bruta do parafuso. Em função do diâmetro externo da rosca a área efetiva é dada por: Força resistente de cálculo A determinação da força resistente de dimensionamento de um parafuso ou barra rosqueada depende do tipo de solicitação à qual esse elemento é submetido, que pode ser tração, cisalhamento ou uma combinação entre esses esforços. Argenta (2015) exemplifica as situações na figura a seguir. Figura 1 - Solicitações em parafusos de ligações metálicas de acordo com o esforço solicitante Fonte: Argenta, 2015, p. 85. Nota-se, na imagem, que ligações por conectores podem ser trabalhadas para garantir resistência ao giro, podendo-se aumentar a rigidez da estrutura no sentido global. Tração A força resistente de dimensionamento de um parafuso ou barra rosqueada tracionada é igual a: - 2 -

3 Em que é a resistência de ruptura característica do material do parafuso ou barra e é o coeficiente de ponderação de ruptura. Cisalhamento Caso o plano de corte passe pela rosca de parafusos ou barras de alta resistência ou parafusos comuns: Caso o plano de corte não passe pela rosca: Nesses casos, utiliza-se a área bruta do parafuso, dada por Tração e cisalhamento combinados Caso exista solicitação combinada de tração e cisalhamento, a verificação deve ser feita em conjunto entre esforço solicitante e resistente, sendo esses esforços resistentes de dimensionamento obtidos conforme demonstrado nos tópicos 3.1 e 3.2: A norma estabelece, em substituição à equação acima, as relações expostas na figura a seguir

4 Figura 2 - Esforços de tração e cisalhamento combinados em função do meio de ligação Fonte: ABNT, 2008, p. 79. Para os parafusos A325 e A490, a primeira equação é referente ao plano de corte passar pela rosca, e, a segunda, no caso de não passar. Pressão de contato em furos Essa força resistente é dada à pressão de contato da parede do furo com o parafuso e, de acordo com a norma, deve ser avaliada em função das situações a seguir. Para furos-padrão, alargados, pouco alongados ou muito alongados em direção à linha de ação, caso a deformação do furo for importante para o projeto: Para furos-padrão, alargados, pouco alongados ou muito alongados em direção à solicitação, caso a deformação do furo não for importante para o projeto: Para furos muito alargados na direção perpendicular à linha de ação: - 4 -

5 Em que representa a distância entre bordas de furos ou entre a borda do furo e a borda do material ligado, T é a espessura do material ligado e a resistência característica à ruptura do aço do material ligado. FIQUE ATENTO A NBR 8800 (2008) estabelece que, em ligações com furos muito ou pouco alargados ou alongados em direção à força, a transferência de esforços deve ser dimensionada para ser transferida exclusivamente por atrito, assunto que será tratado a seguir. Para ligações com múltiplos conectores, a força resistente total é a soma das forças resistentes para todos os furos. Força resistente de parafusos de alta resistência em ligações por atrito A NBR 8800 (2008) estabelece que esse tipo de ligação deve levar em conta o estado-limite do deslizamento da ligação. Em ligações com furos alargados, pouco alongados ou muito alongados na direção da solicitação, o deslizamento deve ser considerado estado-limite último, e a força resistente é dada por: Onde é a força de protensão mínima por parafuso, ns é o número de planos de deslizamento (contatos entre chapas ligadas), é o coeficiente de ponderação de resistência (1,20 para combinações normais, especiais ou de construção), μ é o coeficiente de atrito (0,35 para superfícies laminadas, limpas, sem pintura, galvanizadas a quente e com rugosidade aumentada por meio exclusivamente de escova de aço; 0,50 para superfícies jateadas sem pintura e 0,20 para superfícies galvanizadas a quente) e Ch é um fator de furo (1,0 para furos-padrão; 0,85 para furos alargados ou pouco alongados e 0,7 para furos muito alongados)

6 Em ligações com furo-padrão, pouco alongados ou com alongamentos transversais à direção da solicitação, o deslizamento deve ser considerado estado-limite de serviço, e a força resistente é dada por: Onde Ft, Sk é a força de tração solicitante característica. Efeito de alavanca O efeito de alavanca em ligações parafusadas é um fenômeno que ocorre em função das deformações das partes ligadas, como mostra a figura a seguir. Figura 3 - Efeito alavanca em ligação parafusada Fonte: Argenta, 2015, p. 96. A norma determina que, simplificadamente, pode-se considerar verificado o efeito de alavanca de uma ligação caso pelo menos um dos seguintes itens seja atendido: ao determinar as espessuras das chapas ligadas, o momento resistente plástico e a força de tração resistente de dimensionamento dos parafusos ou barras rosqueadas for reduzida em 33%; ao determinar as espessuras das chapas ligadas, o momento resistente elástico e a força de tração resistente de dimensionamento dos parafusos ou barras rosqueadas for reduzida em 25%

7 FIQUE ATENTO A norma determina mais alguns detalhes construtivos para condição de estabilidade da ligação ao efeito de alavanca. É recomendável que seja realizada análise mais complexa para avaliar esse comportamento, como o método dos elementos finitos aplicado à ligação, que é capaz de apresentar toda a distribuição de esforços no elemento de forma clara e bastante precisa. Argenta (2015) chama a atenção para quando uma carga de tração centrada é aplicada num grupo de parafusos, podendo ocorrer que a carga em cada parafuso seja maior do que a carga dividida pelo número de parafusos. Isto ocorre devido a esforços internos induzidos pela deformação do elemento de ligação, que acabam gerando uma distribuição não uniforme de carregamento. Dimensões e uso de furos e arruelas A norma estabelece dimensões máximas para furos de ligações parafusadas, que estão apresentadas na figura a seguir. Figura 4 - Dimensões máximas de furos em ligações metálicas Fonte: ABNT, 2008, p. 83. Quanto a placas de apoios de pilares, furos maiores podem ser usados devido à tolerância ao encaixe nos chumbadores das bases de concreto. Para isto, devem ser especificadas arruelas soldadas à placa de base

8 SAIBA MAIS A NBR 8800 (2008) traz algumas limitações para a utilização de furos e determina, para cada caso, o tipo de transmissão de esforço (contato ou atrito). Esses preceitos são de fundamental importância no dimensionamento de ligações. Consulte-a e saiba mais. Pega longa A norma determina que caso o comprimento de pega do parafuso ou barra rosqueada exceda 5 vezes seu diâmetro bruto, a força de cisalhamento resistente de cálculo seja reduzida em 1% para cada 1,5 milímetros adicionais. EXEMPLO Esta é uma situação em que existem muitas barras unidas na mesma ligação, ocasionando esforços de flexão no parafuso ou barra rosqueada. Nesse caso, a redução de eficiência do conector é feita de forma empírica a partir de diversos estudos de eficiência realizados pela ASTM. Essa condição não se aplica a casos de parafusos de alta resistência com utilização de protensão inicial. Ligações de grande comprimento Esta consideração leva em conta uma distribuição não uniforme da força entre os parafusos da ligação, conforme exemplifica Argenta (2015), na figura a seguir

9 Figura 5 - Ligação de grande extensão com efeito de distribuição não uniforme entre parafusos Fonte: Argenta, 2015, p. 88. Para o caso de ligações por contato ligando emendas em barras tracionadas com comprimento superior a milímetros na direção da linha da força, as forças de cisalhamento e pressão de contato solicitantes de cálculo devem ser acrescidas em 25%. Espaçamento mínimo entre furos A norma determina que a distância entre centros de furos-padrão, furos alargados ou alongados não deve ser inferior a 2,7 vezes o diâmetro bruto do parafuso ou barra, sendo recomendável 3 vezes. Além disso, a distância livre entre as bordas de dois furos não pode ser inferior a esse diâmetro. Espaçamento máximo entre parafusos Para elementos pintados ou livres de corrosão, o espaçamento máximo deve ser igual a 24 vezes a espessura da chapa ligada, limitado a 300 milímetros. Para elementos sujeitos à corrosão não pintados, o espaçamento deve ser de até 14 vezes a espessura da chapa, limitado a 180 milímetros

10 Distância mínima de um furo às bordas No caso de furos-padrão, a distância de seu centro a qualquer borda de elemento ligado não deve ser inferior ao valor indicado na figura a seguir. Figura 6 - Distância de centro de furo até a borda de elemento ligado Fonte: ABNT, 2008, p. 85. Para o caso de furos alargados ou alongados, o valor deve ser acrescido de um fator β. em que é o diâmetro bruto do elemento e β corresponde a: zero, caso os furos sejam alongados na direção da borda considerada; 0,12 para furos alargados; 0,20 para furos pouco alongados na direção perpendicular à borda considerada; 0,75 para furos muito alongados na direção perpendicular à borda considerada. Distância máxima de um parafuso ou barra rosqueada às bordas A norma estabelece que a distância do centro do parafuso ou barra mais próximo a uma borda livre de elemento ligado não pode exceder 12 vezes a sua espessura, limitada a 150 milímetros

11 Fechamento Agora, você conhece os preceitos normativos que orientam o dimensionamento e detalhamento de ligações parafusadas ou com barras rosqueadas. Nesta aula, você teve a oportunidade de: descrever a sistemática e aspectos relevantes para o dimensionamento de parafusos e barras redondas rosqueadas, mostrando e conceituando as fórmulas, incógnitas e suas relações. Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). estruturas mistas de aço e concreto de edifícios. Rio de Janeiro, ARGENTA, M. A. Estruturas metálicas. Curitiba: UFPR, (Material didático). NBR 8800: Projeto de estruturas de aço e de