CONSTRUMETAL 2010 CONGRESSO LATINO-AMERICANO DA CONSTRUÇÃO METÁLICA Sã Paul Brasil 31 de agst a 2 de setembr 2010 PRESCRIÇÕES DE SOLDAS APLICADAS EM LIGAÇÕES COM BASE NA NORMA BRASILEIRA DE PROJETO DE ESTRUTURAS DE AÇO E ESTRUTURAS MISTAS DE AÇO E CONCRETO COM PERFIS TUBULARES Jã Albert Venegas Requena Universidade de Campinas (UNICAMP) Ricard Hallal Fakury Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) Eduard de Miranda Batista Universidade Federal d Ri de Janeir (COOPE/URFJ) Arlene Maria Sarmanh Freitas Universidade Federal de Our Pret (UFOP) Rberval Jsé Pimenta Cdeme Engenharia Afns Henrique Mascarenhas de Araúj Vallurec & Mannesmann d Brasil (VMB) Resum Neste trabalh sã apresentadas as prescrições de sldas aplicadas em ligações de perfis tubulares, desenvlvidas para text-base da nva nrma brasileira de prjet de estruturas mistas de aç e cncret cm perfis tubulares. Esta nrma, em fase final de desenvlviment, será apresentada em breve a ABNT. A cntribuiçã deste trabalh cnsiste em frnecer detalhes preciss n empreg ds diferentes tips de sldas utilizadas em ligações entre perfis tubulares, que dispensam chapas de ligaçã. Cnhecidas cm ligações de bca-de-lb em que as gemetrias se ajustam perfeitamente n cntat entre s perfis. As gemetrias tubulares circulares dificultam nrmalmente a aplicaçã de sldas de filete u de entalhe. As prescrições nrmativas têm a intençã de garantir as resistências necessárias n dimensinament das ligações. Sã necessáris alguns cuidads nas cnsiderações paramétricas para verificar a pssibilidade de um u utr tip de aplicaçã de slda. Na ligaçã sldada entre perfis tubulares circulares, dependend ds ânguls entre barras diagnais e barras de banz, pde haver regiões cm menr u mair capacidade de resistência da slda. Prtant, é de fundamental imprtância cnheciment d cmprtament das ligações sldadas submetidas a sldas de filete u de entalhe para garantir a segurança estrutural. As prescrições aplicam-se às ligações sldadas, nã sujeitas a fadiga, de perfis tubulares cm espessura de parede menr u igual a 37,5 mm. Tdas as dispsições da ABNT NBR 8800 relativas a ligações sldadas sã aplicáveis, excet as crrespndentes as itens que tratam ds mesms assunts desta nva nrma. Para ligações sldadas sujeitas a fadiga u de perfis tubulares cm espessura de parede superir a 37,5 mm, devem ser adtads s prcediments da ABNT NBR 8800 e AWS D1.1, nde aplicáveis. Palavras-chave: estruturas de aç, perfis tubulares, sldas, ligações sldadas, prjet estrutural, textbase de nrma brasileira. 1. INTRODUÇÃO As estruturas treliçadas cnstituídas de perfis tubulares de aç sã, usualmente, classificadas em uniplanares e multiplanares. As treliças uniplanares sã caracterizadas pr barras cntidas em um únic
plan, ilustradas na Figura 1. As treliças multiplanares sã caracterizadas pr barras cntidas basicamente em três plans, ilustradas na Figura 2. Figura 1 Treliças planas cnstituídas de perfis tubulares Figura 2- Treliças multiplanares cnstituídas de perfis tubulares Tant as treliças uniplanares quant as treliças multiplanares, cmpstas de barras de perfis tubulares, sã usualmente fabricadas cm ligações sldadas, exemplificadas na Figura 3.
Figura 3 Ligaçã sldada entre perfis tubulares Esta peraçã de sldagem direta entre perfis tubulares, principalmente ns tubulares circulares exige uma precisã muit grande além de seguir especificações aprpriadas para atingir a segurança necessária. Prtant, é de fundamental imprtância cnheciment d cmprtament das ligações sldadas submetidas a sldas de filete u de entalhe para garantir a segurança estrutural. Cm bjetiv de frnecer subsídis para s calculistas tratarem este assunt, está send prpst um text base da nrma brasileira de prjet de estruturas de aç e estruturas mistas de aç e cncret cm perfis tubulares, aqui denminad de TB-NBT:2010. O anex nrmativ trata de detalhes relacinads às sldas das ligações cm base na AWS D1.1. 2. PRESCRIÇÕES DA TB-NBT:2010 As prescrições d Anex A da TB-NBT:2010 aplicam-se às ligações sldadas apresentadas n crp d text, nã sujeitas a fadiga, de perfis tubulares cm espessura de parede menr u igual a 37,5 mm, dimensinads cnfrme as prescrições desta Nrma. Tdas as dispsições da ABNT NBR 8800 relativas a ligações sldadas sã aplicáveis, excet as crrespndentes as itens que tratam ds mesms assunts deste Anex. Para ligações sldadas sujeitas a fadiga u de perfis tubulares cm espessura de parede superir a 37,5 mm, devem ser adtads s prcediments da ABNT NBR 8800 e AWS D1.1, nde aplicáveis. 2.1 Identificações e definições As regiões sldadas e a gemetria da ligaçã devem ser identificadas de acrd cm apresentad nas Figuras 4 e 5, respectivamente. Nessas figuras, regiã interna significa trech sldad crrespndente a ângul agud, regiã externa, trech sldad crrespndente a ângul btus, regiã lateral, s demais trechs sldads.
Figura 4 - Identificaçã das regiões sldadas Figura 5 - Gemetria das ligações O ângul d diedr lcal, ψ, é ângul entre as tangentes das superfícies externas ds tubs ligads pela slda, medid num plan perpendicular à linha de slda (raiz da slda) ver Figura 6. Nas ligações cm perfis circulares, as Figuras 7 a 12 pdem ser utilizadas para a determinaçã d ângul d diedr lcal de cada regiã da slda. Nessas figuras ângul ρ é medid a partir d eix vertical da seçã transversal da diagnal u mntante ver Figura 6.
Figura 6 - Definiçã d ângul d diedr lcal Figura 7 - Valres d ângul d diedr lcal para θ = 30
Figura 8 - Valres d ângul d diedr lcal para θ = 40 Figura 9 - Valres d ângul d diedr lcal para θ = 50
Figura 10 - Valres d ângul d diedr lcal para θ = 60 Figura 11 - Valres d ângul d diedr lcal para θ = 70
Figura 12 - Valres d ângul d diedr lcal para θ = 90 2.2 Slda de filete Para que uma ligaçã cm slda de filete seja cnsiderada pré-qualificada, devem ser adtadas as dimensões mínimas da perna d filete (excluind-se a abertura da raiz) apresentadas na Tabela 1, em funçã d tip d aç e d ângul d diedr lcal (ψ), e s detalhes cnfrme apresentads na Figura 13. Esses detalhes sã limitads a d i /d 0 1/3 para perfis circulares e b i /b 0 0,8 para perfis retangulares. Na Tabela 1, t é a espessura da menr parede sldada, z é btid da Tabela 2, em funçã d ângul da junta e d prcess de sldagem ver Figura 13. A abertura da raiz (R n ) nã pde ser superir a 5 mm. Tabela 1 Dimensões mínimas da perna d filete Dimensã mínima da perna d filete (d w ) Regiã f y 300 MPa f y > 300 MPa Internaψ 60 1,5t mair entre 1,5t e 1,4t + z Lateral 60 <ψ < 100 1,4t 1,5t Lateral 100 ψ 110 1,6t 1,75t Lateral 110 ψ 120 1,8t 2,0t Externaψ > 120 1,4t cm entalhe parcial entalhe cmplet cm ângul da junta entre 60 e 90
Figura 13 Ligações pré-qualificadas cm slda de filete 2.2.1 Área efetiva A área efetiva deve ser calculada, cnfrme a ABNT NBR 8800, cm prdut d cmpriment efetiv da slda pela espessura da garganta efetiva. O cmpriment efetiv da slda, ef, deve ser calculad cnfrme 2.2.2 e 2.2.3, para perfis tubulares circulares e retangulares, respectivamente. A garganta efetiva deve ser calculada cnfrme 2.2.4. 2.2.2 Cmpriment efetiv da slda de perfis circulares O cmpriment efetiv da slda de perfis circulares deve ser calculad pr: = 2π r K (1) ef w a nde: r w é a distância d eix d perfil tubular à linha de centr da garganta da slda (ver Figura 14); K a é um fatr de seçã e pde ser tmad igual a: 1+ 1/ senθ K a = (2) 2 θ é ângul agud entre s eixs das barras.
Figura 14 Definiçã de parâmetrs da slda de perfis circulares 2.2.3 Cmpriment efetiv da slda de perfis retangulares O cmpriment efetiv da slda de perfis retangulares deve ser calculad pr: Para ligações K, N e DK: 2h + 2b para θ 50 senθ 2h senθ < θ < ef = + b para θ 60 (3) interplar linearmente para 50 60 Para as demais ligações: 2h + b para θ 50 senθ 2h senθ < θ < ef = para θ 60 (4) interplar linearmente para 50 60 2.2.4 Espessura da garganta efetiva A espessura da garganta efetiva de uma slda de filete (b w ) é igual à menr distância medida da raiz à face plana teórica da slda, para ângul da junta (φ) mair u igual a 60, e a essa mesma distância reduzida da dimensã z, dada na Tabela 2, para 30 φ 60. Para φ < 30, a slda nã é cnsiderada efetiva, devend-se, prtant, tmar b w = 0. N cálcul da espessura da garganta efetiva, a abertura da raiz (R n ) deve ser levada em cnta, cas seja superir a 1,5 mm.
Ângul da junta (φ) Tabela 2 Distância z Psiçã de sldagem: Vertical (V) u Sbrecabeça (S) Prcess de z sldagem mm Psiçã de sldagem: Hrizntal (H) u Plana (P) Prcess de z sldagem mm φ 60 FCAW 0 FCAW 0 SMAW 0 SMAW 0 GMAW N/A GMAW 0 60 ο > φ 45 FCAW 3 FCAW 0 SMAW 3 SMAW 3 GMAW N/A GMAW 0 45 ο > φ 30 FCAW 10 FCAW 6 SMAW 6 SMAW 6 GMAW N/A GMAW 6 2.3 Slda de Entalhe As dimensões das juntas, ds ânguls de entalhe e s detalhes das ligações pré-qualificadas cm slda de penetraçã ttal (CJP) em apenas um lad da junta, sem extraçã de raiz, estã mstrads na Tabela 3 e nas Figuras 16 a 19. As demais ligações cm slda de entalhe, sldadas em apenas um lad da junta, sem chapa de espera ( backing bar ), e em ambs s lads, sem extraçã de raiz, sã cnsideradas de penetraçã parcial. As dimensões das juntas, ds ânguls de entalhe e s detalhes das ligações préqualificadas de penetraçã parcial (PJP) estã mstrads na Figura 20. A preparaçã das juntas para as sldas ns cants deve prpiciar uma transiçã suave de um detalhe para utr. Além diss, as sldas devem ser executadas cntinuamente a lng ds cants, de frma que arc inicie e termine em faces planas. 2.3.1 Área efetiva A área efetiva deve ser calculada, cnfrme a ABNT NBR 8800, cm prdut d cmpriment efetiv da slda pela espessura da garganta efetiva. O cmpriment efetiv da slda, ef, deve ser calculad cnfrme 2.3.2. A garganta efetiva deve ser calculada cnfrme 2.3.3. 2.3.2 Cmpriment efetiv da slda O cmpriment efetiv da slda de perfis circulares deve ser calculad cnfrme 2.2.2 substituind-se r w pr r m, nde r m é rai médi d perfil circular, ist é, medid na linha de centr da parede d tub ver Figura 14. O cmpriment efetiv da slda de perfis retangulares deve ser calculad cnfrme 2.2.3. 2.3.3 Espessura da garganta efetiva A espessura da garganta efetiva de uma slda de penetraçã ttal deve ser tmada igual à menr das espessuras das partes sldadas. A espessura da garganta efetiva de uma slda de penetraçã parcial é igual à prfundidade d chanfr, para ângul da junta igual u superir a 60, e a essa mesma distância reduzida da dimensã z, dada na Tabela 2, para 30 φ < 60. Para φ < 30, a slda nã é cnsiderada efetiva, devend-se, prtant, tmar a espessura da garganta efetiva igual a zer. Para sldas ns cants
arredndads ds perfis retangulares, a espessura de garganta efetiva é igual à prfundidade da slda ver Figura 15. Figura 15 - Espessura da garganta da slda ns cants arredndads de perfis retangulares Tabela 3 Dimensões das juntas e ds ânguls de entalhe das ligações pré-qualificadas cm slda de penetraçã ttal (CPJ) Detalhe A Ψ = 180-135 ω (mínim) ---- Abertura de raiz (R n ) mm W (máxim) mm Ângul da junta (φ) SMAW FCAW Detalhe B Ψ = 150-50 Detalhe C a) Ψ = 75-40 Detalhe D a) Ψ = 40-30 10 u 45 para ψ>105 10 ---- FCAW SMAW SMAW SMAW max 5 5 6 ---- ---- min 2 u 0 para φ>90 2 u 0 para 2 ---- ---- φ>120 ---- ---- ---- 3 3 max 90 60º para ψ 105º min 45 37,5 ; se menr usar detalhe C Filete adicinal (F) ---- Slda Cmpleta b w (min) d w t b 40 ; se mair usar detalhe B 0,5 ψ u 30, que fr mair ---- de 0 a 0,5 t b a medida que Ψ varie 0,5 t b 0,5 t b de 135º a 90 t b para Ψ 90 ο t t b /sin Ψ para b /sin Ψ 1,75 Ψ < 90 ο t b t (min) b /sin Ψ 1,75 t b ---- ---- ---- a A slda de vedaçã deve ter dimensões que garantam a qualidade da slda e a necessária largura d entalhe bedecend-se limite dad nesta tabela. 2t b
(a) Ligaçã em degrau detalhe alternativ para regiões laterais (b) Ligaçã parelha Figura 16 Definições e seleçã de detalhes de ligações pré-qualificadas cm slda de penetraçã ttal (CJP) de perfis retangulares Figura 17 Definições e seleçã de detalhes de ligações pré-qualificadas cm slda de penetraçã ttal (CJP) de perfis circulares
Ψ = 180-135 DETALHE A Ψ = 150-90 Ψ = 90-50 DETALHE B Ψ = 75-30 Ψ = 45-30 DETALHE C TRANSIÇÃO DE DETALHE C PARA DETALHE D Ψ = 40-30 DETALHE D Figura 18 Detalhes de ligações pré-qualificadas cm slda de penetraçã ttal (CJP) cm espessura até 16 mm.
Ψ = 180-135 DETALHE A Ψ = 75-30 DETALHE C Ψ = 190-90 DETALHE B Ψ = 90-50 Ψ = 45-30 Ψ = 40-30 TRANSIÇÃO DE DETALHE C PARA DETALHE D DETALHE D Figura 19 Detalhes de ligações pré-qualificadas cm slda de penetraçã ttal (CJP) cm espessura superir a 16 mm.
Figura 20 Detalhes de ligações pré-qualificadas cm slda de penetraçã parcial (PJP)
REGIÃO DE TRANSIÇÃO OU INTERNA 150 ψ 30 90 > φ 30 REGIÃO EXTERNA ψ =150 105 REGIÃO EXTERNA OU INTERNA ψ = 105 90 REGIÃO LATERAL OU INTERNA ψ = 90 75 REGIÃO INTERNA ψ = 60 30 Figura 20 Detalhes de ligações pré-qualificadas cm slda de penetraçã parcial (PJP) (cntinuaçã)
REGIÃO DE TRANSIÇÃO OU INTERNA ψ = 75 60 CANTO DA REGIÃO EXTERNA C t b + 3mm e R 2t b u abertura da raiz ( Rn ) 2mm REGIÃO LATERAL (PARELHA) REGIÃO DE TRANSIÇÃO A REGIÃO DE TRANSIÇÃO B Figura 20 Detalhes de ligações pré-qualificadas cm slda de penetraçã parcial (PJP) (cntinuaçã)
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS O text base aqui denminad de TB-NBT:2010, da nva nrma brasileira de prjet de estruturas de aç e estruturas mistas de aç e cncret cm perfis tubulares, ferece uma grande cntribuiçã nas prescrições sbre sldas, pis este assunt nã é cntemplad na nrma ABNT NBR 2800:2008 e agra preenche uma lacuna muit imprtante para s calculistas de estruturas de aç. A equipe de prfissinais da UNICAMP, UFOP, UFMG, COOPE/UFRJ, CODEME Engenharia e V&M d Brasil, trabalhu neste text seguind principalmente as prescrições da AWS D1.1. 4. AGRADECIMENTOS À VMB (Vallurec & Mannesmann d Brasil), que trnu pssível a elabraçã e a apresentaçã deste trabalh. 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT NBR 8800:2008. Prjet de estruturas de aç e de estruturas mistas de aç e cncret de edifícis. Assciaçã Brasileira de Nrmas Técnicas, Ri de Janeir, Brasil. ANSI/AISC 360-05. Specificatin fr structural steel buildings. American Institute f Steel Cnstructin, Chicag, USA. AWS D1.1:2008. Structural welding cde-steel. American Welding Sciety, Miami, USA. EN 1993-1-1: 2007. Design f steel structures-part 1.1: General rules and rules fr buildings. EUROCODE 3, Eurpean Cmmittee fr Standardizatin, Brussels, Belgium. EN 1993-1-8: 2007. Design f steel structures-part 1.8: Design f jints. EUROCODE 3, Eurpean Cmmittee fr Standardizatin, Brussels, Belgium. Packer, J.A, Wardenier, J., Zha,X.-L, van der Vegte, G.J. and Kurbane, Y. (2009). Design guide fr rectangular hllw sectin (RHS) jints under predminantly static lad, Secnd Editin, CIDECT. Requena, J.A.V. e Sants, A.L.E.F. (2007). Dimensinament de Ligações em Barras Tubulares de Estruturas Metálicas Planas, 1ª. Ediçã, Cleçã Técnic-científica V&M d Brasil, UNICAMP, Campinas. SCI 207 (1997). Jints in steel cnstructin: mment cnnectins. The Steel Cnstructin Institute, Asct, UK. TB-NBT:2010. Text-base da futura nrma brasileira de prjet de estruturas de aç e mistas de aç e cncret cm perfis tubulares em preparaçã.