Curso de Dimensionamento de Estruturas de Aço Ligações em estrutura de aço EAD - CBCA Módulo 5
Sumário Módulo 5 Ligações em estrutura de aço 5. Ligações em estrutura de aço página 5 5.1. Generalidades de ligações parafusadas página 5 5.1.1. Parafusos comuns página 5 5.1.2. Parafusos de alta resistência página 5 5.2. Generalidades de ligações soldadas página 6 5.2.1. Controle de qualidade da solda página 6 5.2.2. Tipos de soldagem página 7 5.2.3. Representação gráfica das soldas página 9 5.2.4. Observações gerais página 15 5.3. Rigidez das ligações página 15 5.4. Dimensionamento de ligações parafusadas página 16 5.4.1. Área efetiva do parafuso página 16 5.4.2. Força resistente de Tração página 16 5.4.3. Cisalhamento página 17
5.4.3.1. Plano de corte na rosca página 17 5.4.3.2. Plano de corte fora da rosca página 17 5.4.4. Pressão de contato página 18 5.4.5. Ocorrência simultânea de tração e cisalhamento página 19 5.4.6. Efeito alavanca página 19 5.4.7. Espaçamento mínimo entre furos página 20 5.4.8. Espaçamento máximo entre furos página 20 5.4.9. Distância mínima de um furo às bordas (qualquer borda) página 21 5.4.10. Distância máxima de um furo às bordas página 21 5.5. Dimensionamento de ligações soldadas página 22 5.5.1. Determinação da área resistente da solda de penetração total ou parcial página 22 5.5.2. Determinação da área resistente da solda de filete página 22 5.5.3. Determinação da força resistente de cálculo da solda página 24 5.5.4. Solda de Penetração total página 25 5.5.4.1. Tração ou compressão perpendicular à seção efetiva página 25 5.5.4.2. Cisalhamento página 25
5.5.5. Solda de Penetração parcial página 26 5.5.5.1. Tração ou compressão perpendicular à seção efetiva página 26 5.5.5.2. Cisalhamento página 26 5.5.6. Solda de Filete página 26 5.5.6.1. Tração ou compressão perpendicular à seção efetiva página 26 5.5.6.2. Cisalhamento na seção efetiva página 27 5.5.7. Dimensões mínimas das soldas gargantas mínimas página 27 5.5.7.1. Solda de penetração parcial página 27 5.5.7.2. Solda de filete página 28 5.6. Dimensionamento de chapas de ligação página 28 5.6.1. Chapas submetidas à tração página 28 5.6.2. Chapas submetidas à compressão página 29 5.6.3. Chapas submetidas a cisalhamento página 30 5.6.4. Verificação da possibilidade de colapso por rasgamento da chapa página 31
5. Ligações em estrutura de aço Video 7 - Dimensionamento de Ligações assista on-line Os principais elementos de ligação entre peças de aço são: parafuso e solda 5.1. Generalidades de ligações parafusadas Os parafusos são barras cilíndricas rosqueadas numa extremidade e com cabeça em outra, de forma a permitir o aperto entre as peças através de ferramenta adequada. Os parafusos mais empregados nas construções metálicas são os de cabeça quadrada e hexagonal. Para fixação do parafuso são necessárias duas ferramentas: uma para girar a porca, outra para impedir o giro da cabeça. Portanto para execução de uma ligação parafusada são necessários apenas dois operários. Em ligações submetidas à vibração são acrescentadas arruelas de pressão. Para uma escolha prévia do diâmetro do parafuso, aplica-se a seguinte relação: onde: = espessura da chapa mais = espessura da chapa mais fina. 5.1.1. Parafusos comuns Os parafusos comuns são fabricados com aço carbono, menos resistentes e são reconhecidos pela sigla ASTM A307. Por serem pouco resistentes, os parafusos comuns são usados em ligações secundárias e em estruturas de pequeno porte. 5.1.2. Parafusos de alta resistência São parafusos executados com aço de médio e baixo carbono, portanto mais resistentes São parafusos com alta tensão de ruptura a tração e a cisalhamento. Chegam a resistir a tensões de tração iguais a 11.950 kgf/cm². Esses parafusos podem fazer a ligação entre as peças de duas maneiras: a) Por atrito entre as peças ligadas. Solução utilizada quando a estrutura não permite qualquer deslocamento (escorregamento) da ligação. b) Por resistência ao cisalhamento do corpo do parafuso. Neste caso, há sempre a possibilidade de acomodação entre as peças ligadas. Os parafusos de alta resistência são bem mais caros que os parafusos comuns e, portanto, recomendáveis para obras de médio e grande portes, onde sua resistência propicia a diminuição no número de parafusos se comparados com os parafusos comuns. 5
São fabricados dois tipos de parafusos de alta resistência: o ASTM A325 com limite de escoamento entre 5600 e 6500 kgf/cm² e o ASTM A490 com limite de escoamento entre 8000 e 9600 kgf/cm². Esses valores demonstram como os parafusos de alta resistência são muito mais resistentes que os comuns, que possuem o limite de escoamento em 2400 kgf/cm². 5.2. Generalidades de ligações soldadas Video 9 - Ligações Soldadas assista on-line As ligações soldadas começaram a ser utilizadas com grande sucesso a partir da década de 40, e hoje são tão difundidas e de qualidade tão boa que existem obras inteiramente soldadas. As ligações soldadas são as que apresentam a maior rigidez. A soldagem se faz pelo aquecimento do material-base (elementos a serem ligados) a uma temperatura de aproximadamente 4.000 C. Essa temperatura é obtida pela criação de um arco voltaico entre o materialbase e o eletrodo. O material-base ao atingir a temperatura indicada, funde-se propiciando a união entre as peças; o eletrodo, além de provocar o arco voltaico, também se funde preenchendo os vazios entre a ligação. Ver figura 33. Figura 33 Soldagem com eletrodo revestido O material-base durante a soldagem sofre modificações físico-químicas, o que pode influenciar na resistência da junta soldada sendo, portanto, muito importante o tipo e qualidade do material-base. Caso o metal base não seja soldável (por exemplo: aço com grande quantidade de manganês) a solda não se realiza adequadamente, tornando a ligação frágil. 5.2.1. Controle de qualidade da solda O principal defeito da solda é sua descontinuidade ou falha. As falhas enfraquecem drasticamente a ligação. Para garantir a qualidade da ligação, as soldas devem sofrer rigoroso controle e aprovadas após exames especiais, tais como: 6
a) Controle magnetoscópico. Este ensaio serve para a observação de falhas superficiais. Consiste na magnetização da peça a ser verificada; através da medição do campo magnético as descontinuidades podem ser percebidas e as falhas reveladas. b) Controle com líquidos penetrantes. Também utilizada para observação de defeitos superficiais. A superfície a ser verificada é banhada com líquido penetrante colorido. As falhas absorvem o líquido, após a limpeza do excesso e aplicação do revelador (à base de talco ou gesso), ficam à mostra as descontinuidades. c) Controle Radiográfico. Destina-se à verificação dos defeitos internos. Emprega-se o Raio-X. Ao atravessar o material os raios são absorvidos progressivamente. Quanto maior a espessura atravessada, menor a intensidade de radiação emergente. Ao atravessarem as falhas os raios emergem com maior intensidade impressionando o filme com tonalidade mais escura. Após revelação da chapa de filme, podem-se observar as falhas através da ocorrência de manchas mais escuras. d) Controle por Ultra-som. Destina-se também à verificação dos defeitos internos. O princípio baseia-se na reflexão das ondas acústicas ao atingirem meios de diferentes densidades. Se no percurso da onda houver uma falha (vazio com densidade baixa), haverá uma reflexão antes da onda atravessar todo o material. Esse retorno antecipado será captado pelo receptor, denunciando a existência da falha. 5.2.2. Tipos de soldagem Conforme as chapas a serem soldadas sejam posicionadas, podem ocorrer dois tipos de soldagem. a) Solda de topo. Neste caso as chapas são posicionadas uma contra a outra e em um mesmo plano. Ver figura 34a. Figura 34a Conforme aumentem as espessuras das chapas a serem unidas, devem ser previstos detalhes que garantam a penetração total ou parcial da solda. Para isso as extremidades das chapas devem ser convenientemente preparadas. Ver figura 34b. 7
Figura 34b Outros tipos de entalhe para soldas Figura 35 Outros tipos de entalhe de solda 8
b) Solda em ângulo Quando as chapas são posicionadas em planos ortogonais. Quando não houver chanfra na chapa, a solda é denominada solda de filete. Para chapas mais grossas as extremidades devem ser preparadas com algum tipo de chanfro, e a solda é denominada de solda de penetração total ou parcial. Ver fig. 36. Figura 36 5.2.3. Representação gráfica das soldas As soldas são indicadas com setas, sobre as quais são especificados o tipo e espessura da solda. A solda de topo é representada por dois traços paralelos sobre a seta. A solda em ângulo é representada por um triângulo. Caso o triangulo esteja voltado para baixo, a solda ocorre do lado onde está a ponta da seta e se ao contrário, o triângulo estiver para cima, a solda ocorre exatamente do lado oposto ao que se encontra a extremidade da seta. Esta representação que a princípio pode parecer descabida é interessante para evitar concentração de informações. Quando a solda ocorre nas duas faces, ela é indicada pela seta com triângulo duplo. A seguir, nas figuras 37a, b, c e d, são apresentadas as formas mais comuns de representação de solda. 9
Figura 37a Tipos de solda Soldas com mudanças abruptas de direção 10
Figura 37b Tipos de solda 11
Figura 37c Tipos de solda 12
Figura 37d Tipos de solda 13
Figura 37e Tipos de solda Quadro Resumo: Figura 38a e 38b Quadro Resumo simbologia de solda Fonte: MARGARIDO, 2007 - cap.4 p8 14
5.2.4. Observações gerais a) As ligações soldadas devem ser preferencialmente executadas em fábrica. Sua execução no canteiro pode acontecer em condições adversas e com menor controle de qualidade, resultando em ligações deficientes. b) As ligações soldadas são mais vantajosas em relação às parafusadas por não necessitarem de furos. Os furos diminuem a seção resistente da peça. Essas ligações não exigem a mesma precisão das ligações parafusadas. c) As ligações com parafusos são executadas no canteiro, o que garante mais qualidade e rapidez à execução. d) Quando o edifício tem um uso não permanente, as ligações parafusadas são necessárias, já que permitem fácil desmontagem da estrutura. Exemplos de ligações em estrutura de aços assista on-line 5.3. Rigidez das ligações As ligações entre peças estruturais podem ser rotuladas ou rígidas. As primeiras permitem giro relativo entre as peças ligadas e a ligação rígida é mais restringida, permitindo algum giro, cujo valor depende da inércia das viga e pilares que chegam no vínculo. Uma ligação pode ser considerada rotulada se: Onde: e é o momento de inércia da viga é o comprimento da viga Pode ser considerada rígida se:, mas desde que valha a relação Onde: - valor médio de para todas as vigas no topo do andar 15
e - valor médio de para todos os pilares do andar Se mas a ligação é considerada semi-rígida OBS: Permite-se, por simplicidade e a critério do projetista, adotar apenas ligações rotuladas ou rígidas em seus modelos. 5.4. Dimensionamento de ligações parafusadas 5.4.1. Área efetiva do parafuso Na região da rosca a área da seção do parafuso é reduzida, essa área reduzida recebe o nome de área efetiva. (área efetiva, excluindo a rosca) mudar por Onde: - área bruta (incluindo a rosca) 5.4.2. Força resistente de Tração Os parafusos quando submetidos a tração apresentam a seguinte força de tração resistente de cálculo: 16
No caso de tração a área resistente é sempre a área efetiva. Para o parafuso ser aceito deve-se ter: 5.4.3. Cisalhamento Dependendo do comprimento e posicionamento do parafuso o plano de corte pode se dar dentro ou fora da rosca, com isso o valor da força cortante resistente de cálculo muda. 5.4.3.1. Plano de corte na rosca Quando o plano de corte ocorre na rosca tem-se: 5.4.3.2. Plano de corte fora da rosca Quando o plano de corte ocorre fora da rosca tem-se: Para o parafuso ser aceito deve-se ter: 17
5.4.4. Pressão de contato Desde que atendidos os itens 5.4.3.1 e 5.4.3.2 deve-se proceder, também à verificação do efeito do parafuso sobre as paredes do furo. Para isso deve ser calculada a força de contato resistente de cálculo, que também leva em conta o rasgamento de entre dois furos consecutivos e entre um furo extremo e a borda. O valor dessa força é dado por: = distancia entre às bordas de furos adjacentes ou à borda livre Figura 39 = diâmetro do parafuso (externo) = espessura da parte ligada = resistência à ruptura do material furado 18
5.4.5. Ocorrência simultânea de tração e cisalhamento Quando houver ocorrência simultânea de tração e de corte deve-se usar a seguinte fórmula de interação: Caso não se use essa verificação usar a seguinte limitação, utilizando apenas força de tração: - corte pela rosca - corte fora da rosca 5.4.6. Efeito alavanca No caso de ligações entre chapas com forças de tração na direção perpendicular da chapa, deve-se verificar o efeito de alavanca provocado pela deformação das chapas Figura 40 19
Pode-se considerar o efeito de alavanca atendido quando a determinação das espessuras t1 e t2 das chapas ligadas for feita pelo momento resistente elástico e a força de tração resistente de cálculo for reduzida em 25%. 5.4.7. Espaçamento mínimo entre furos Respeitadas as condições de resistência a norma apresenta as seguintes exigências com respeito ao mínimo espaçamento entre parafusos: Figura 41 As duas condições devem ser verificadas 5.4.8. Espaçamento máximo entre furos Para que a ligação parafusada comporte-se adequadamente, os parafusos não devem estar muito distanciados uns dos outros, por isso a Norma impõe limites máximos de espaçamento: Figura 42 20
5.4.9. Distância mínima de um furo às bordas (qualquer borda) Quanto a distância mínima dos furos às bordas das peças ligadas a Norma especifica o seguinte: Figura 43 - Fonte: NBR 8800: 2008, tabela 14 - Pagina 85 5.4.10. Distância máxima de um furo às bordas Também existem restrições quanto às distâncias máximas dos furos em relação às bordas das peças ligadas. Usa-se o menor dos valores abaixo: espessura do elemento ou 21
5.5. Dimensionamento de ligações soldadas O primeiro passo na determinação da capacidade de uma ligação soldada consiste em determinar a sua área resistente. Para isso deve-se multiplicar o comprimento de solda pela sua altura. Esses valores vão depender do tipo de solda usado se de penetração total ou parcial ou se de filete. 5.5.1. Determinação da área resistente da solda de penetração total ou parcial Figura 44 - Solda de penetração total e parcial Neste caso a altura da solda pode ser dada pelos valores x para penetração total ou y para penetração parcial como mostrado na figura. No caso de penetração total se o chanfro da chapa for em bisel com ângulo de 45º deve-se, ainda, descontar mais 3 mm. O comprimento é igual ao comprimento real da solda. Assim a área de soldada é dada pelos seguintes valores:, respectivamente solda de penetração total e solda de penetração parcial. 5.5.2. Determinação da área resistente da solda de filete No caso da solda de filete a área de solda resistente é dada pelo comprimento efetivo de solda e a garganta efetiva. 22
Figura 45 Solda de Filete garganta efetiva No caso de solda de filete o comprimento efetivo de solda real. Esse valor é dado por: não é exatamente igual ao seu comprimento Figura 46 O valor entre chaves é denominado de fator de redução que deve ficar entre 0,65 e 1,0. 23
= comprimento total da solda = tamanho da perna do filete, ver figura 46 5.5.3. Determinação da força resistente de cálculo da solda Esse valor depende da área efetiva de solda, da área do material base menos espesso e do eletrodo utilizado para execução da solda. A tabela abaixo reproduzida da tabela 8 da NBR 8800 mostra as diversas fórmulas a serem aplicadas em função do tipo de solda se de penetração total, penetração parcial ou de filete. Figura 47 - Fonte: NBR 8800: 2008, tabela 8 - Página 76 24
O eletrodo mais comum usado nas ligações soldadas é o do grupo E70, cuja resistência é mostrada abaixo: Nas ligações soldadas a tração, ou compressão paralelas ao eixo da solda são desconsiderados. As fórmulas referentes aos itens 2.10.5.4. e 2.10.5.6 foram retiradas da tabela 8 da Norma, e são as mais usadas. Elas são apresentadas para esforços de tração, compressão e cisalhamento. Nessas formulas temos: = resistência do eletrodo = área efetiva da solda = área do material base (menos espesso) região da solda 5.5.4. Solda de Penetração total 5.5.4.1. Tração ou compressão perpendicular à seção efetiva 5.5.4.2. Cisalhamento 25
5.5.5. Solda de Penetração parcial 5.5.5.1. Tração ou compressão perpendicular à seção efetiva 5.5.5.2. Cisalhamento 5.5.6. Solda de Filete 5.5.6.1. Tração ou compressão perpendicular à seção efetiva Não há necessidade de verificação. 26
5.5.6.2. Cisalhamento na seção efetiva Neste caso a solicitação de cálculo é a resultante vetorial (R) das forças que produzem tensões normais ou de cisalhamento na superfície de contato das partes ligadas. 5.5.7. Dimensões mínimas das soldas gargantas mínimas 5.5.7.1. Solda de penetração parcial Figura 48 - Fonte: NBR 8800: 2008, tabela 9 - Página 73 27
5.5.7.2. Solda de filete Figura 49 - Fonte: NBR 8800: 2008, tabela 10 - Página 74 5.6. Dimensionamento de chapas de ligação Video 10 - Chapas de Ligação assista on-line Em uma ligação entre peças estruturais de aço, seja parafusada ou soldada, deve também ser verificada a resistência da chapa que faz a ligação entre essas peças estruturais. Conforme a direção de aplicação da resultante das forças que atuam nos elementos ligados, as chapas podem ficar submetidas a esforços de tração, compressão e cisalhamento. No caso da tração deve ser verificada também a possibilidade de rasgamento. 5.6.1. Chapas submetidas à tração Neste caso devem ser verificadas duas situações limites: se há escoamento do material da chapa ou a sua ruptura. A verificação é feita pelo menor valor. 5.6.1.1. Para determinação da força de tração resistente de cálculo no estado limite último de escoamento usa-se a seguinte relação: 28
Onde: = Área bruta = tensão de escoamento do aço 5.6.1.2. Para determinação da força de tração resistente de cálculo no estado limite último de ruptura usa-se a relação abaixo: = área líquida Para parafusos adotar = tensão de ruptura do aço a tração 5.6.2. Chapas submetidas à compressão 5.6.2.1. Neste caso a verificação deve ser feita para a possibilidade de escoamento do material da chapa ou da possibilidade de sua flambagem. A situação de escoamento é crítica quando o índice de esbeltez da chapa for menor ou igual a, caso contrário torna-se crítica a flambagem da chapa. 29
5.6.2.2. Para determinação da força de compressão resistente de cálculo no estado limite último de escoamento usa-se a relação abaixo: 5.6.2.3. Para determinação da força de compressão resistente de cálculo no estado limite último de flambagem usase o item 5.3. da NBR 8800: 2008. SUGESTÃO: Para facilitar o cálculo, usar sempre que possível peça com 5.6.3. Chapas submetidas a cisalhamento Da mesma forma, como visto antes, devem ser verificadas possibilidades de escoamento ou ruptura da chapa. Para determinação da força cortante resistente de cálculo no estado limite último de escoamento usa-se a relação abaixo: Para determinação da força cortante resistente de cálculo no estado limite último de ruptura usa-se a relação abaixo: = área líquida sujeita a cisalhamento 30
5.6.4. Verificação da possibilidade de colapso por rasgamento da chapa Como comentado anteriormente, essa verificação é feita apenas para tração na chapa. Para determinação da força de tração resistente ao rasgamento de cálculo usa-se a verificação abaixo: = área bruta sujeita a cisalhamento = área líquida sujeita a cisalhamento = área líquida sujeita à tração Figura 49 A situação de tensão uniforme acontece quando a força de tração estiver no centro geométrico dos furos. Para finalizar, incluímos um vídeo com o Prof. Ildony Bellei sobre ligações em estruturas de aço. Este vídeo faz parte do curso de Introdução ao uso do Aço na Construção e foi realizado antes da revisão da NBR 8800: 2008. Video 3 - Ligações assista on-line Apresentador: Ildony Helio Bellei Engenheiro Civil e Eletrotécnico pela Escola de Engenharia da Universidade de Juiz de Fora/MG Coordenador do Curso de Engenharia Civil e Professor titular da disciplina Edificios de Aço do Centro Universitário de Volta Redonda Autor dos livros Edificios Industriais em Aço e Edifícios de Multiplos Andares em Aço e de alguns números da seríe Manual de Construção em aço, do CBCA. É Diretor da IHB Engenharia e Consultoria S/C Ltda. 31