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W BA 12 21 _V 1. 0 LIGAÇÕES EM ESTRUTURAS METÁLICAS 2 Arthur Aviz Palma e Silva Jesner Marcos Escandolhero Londrina Editora e Distribuidora Educacional S.A. 2023 LIGAÇÕES EM ESTRUTURAS METÁLICAS 1ª edição 3 2023 Editora e Distribuidora Educacional S.A. Avenida Paris, 675 – Parque Residencial João Piza CEP: 86041-100 — Londrina — PR Homepage: https://www.cogna.com.br/ Diretora Sr. de Pós-graduação & OPM Silvia Rodrigues Cima Bizatto Conselho Acadêmico Alessandra Cristina Fahl Ana Carolina Gulelmo Staut Camila Braga de Oliveira Higa Camila Turchetti Bacan Gabiatti Giani Vendramel de Oliveira Gislaine Denisale Ferreira Henrique Salustiano Silva Mariana Gerardi Mello Nirse Ruscheinsky Breternitz Priscila Pereira Silva Coordenador Mariana Gerardi Mello Revisor Igor Brumano Coelho Amaral Editorial Beatriz Meloni Montefusco Carolina Yaly Márcia Regina Silva Paola Andressa Machado Leal Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)_____________________________________________________________________________ Silva, Arthur Aviz Palma e Ligações em estruturas metálicas/ Arthur Aviz Palma e Silva, Jesner Marcos Escandolhero – Londrina: Editora e Distribuidora Educacional S.A., 2023. 33 p. ISBN 978-65-5903-462-8 1. Estruturas metálicas. 2. Ligações em estruturas metálicas. 3. Elementos estruturais em aço. I. Título. CDD 620.16 _____________________________________________________________________________ Raquel Torres – CRB 8/10534 S586l © 2023 por Editora e Distribuidora Educacional S.A. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio, eletrônico ou mecânico, incluindo fotocópia, gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação, sem prévia autorização, por escrito, da Editora e Distribuidora Educacional S.A. https://www.cogna.com.br/ 4 SUMÁRIO Apresentação da disciplina __________________________________ 05 Elementos estruturais em aço ________________________________ 07 Fundamentos do projeto de ligações ________________________ 20 Ligações com conectores ____________________________________ 34 Ligações com soldas _________________________________________ 46 LIGAÇÕES EM ESTRUTURAS METÁLICAS 5 Apresentação da disciplina Olá! Bem-vindo(a) à disciplina Ligações em estruturas metálicas. Esta disciplina é uma parte importante do estudo das estruturas metálicas e abrange tópicos, como elementos estruturais em aço, fundamentos do projeto de ligações, ligações com conectores e ligações com soldas. O objetivo geral é fornecer a você uma compreensão abrangente dos princípios e das práticas envolvidos na criação de ligações em estruturas metálicas. Você aprenderá sobre os diferentes tipos de ligações, incluindo ligações soldadas, parafusadas e rebitadas, e como elas são projetadas e executadas para garantir a segurança e a durabilidade da estrutura. Além disso, você também aprenderá sobre os fundamentos do projeto de ligações, incluindo a compreensão sobre as cargas aplicadas à ligação e sobre a capacidade da ligação para suportar essas cargas. Você também aprenderá sobre os diferentes tipos de conectores, como parafusos e rebites, e como eles são usados para criar ligações em estruturas metálicas. Esta disciplina é extremamente relevante para sua vida profissional, especialmente se você trabalha ou planeja trabalhar na indústria da construção civil ou em áreas relacionadas. O conhecimento adquirido será valioso para ajudá-lo a projetar e construir estruturas metálicas seguras e duráveis. Convidamos você a se juntar a nós nesta jornada emocionante de aprendizado sobre ligações em estruturas metálicas. Juntos, 6 exploraremos os fundamentos desta disciplina fascinante e descobriremos como aplicar esse conhecimento na prática. Bons estudos! 7 Elementos estruturais em aço Autoria: Arthur Aviz Palma e Silva Leitura crítica: Igor Brumano Coelho Amaral Objetivos • Compreender os principais elementos estruturais em aço e sua função na construção de edifícios, pontes e outras estruturas. • Analisar os diferentes tipos de conexões estruturais em aço. • Entender como os elementos estruturais em aço são usados na prática e como aplicar os conceitos sobre estes elementos em projetos. 8 1. Introdução Olá, estudante! A disciplina Ligações em Estruturas Metálicas tem o objetivo de apresentar a você os principais tipos de conexões utilizados em estruturas metálicas, bem como as normas e os procedimentos para o seu dimensionamento e projeto. Durante as aulas, abordaremos temas, como a análise de esforços nas ligações, a seleção dos tipos mais adequados de parafusos, soldas e rebites, as técnicas de montagem e desmontagem das estruturas e a avaliação da resistência e durabilidade das ligações. Além disso, você terá a oportunidade de desenvolver detalhamentos práticos de conexões em estruturas metálicas. Ao final da disciplina, esperamos que você esteja apto a projetar e construir estruturas metálicas seguras e eficientes, garantindo a sua qualidade e conformidade com as normas técnicas e regulamentações vigentes. Então, juntos, aprenderemos tudo sobre as ligações em estruturas metálicas! 1.1 Tipos de produtos estruturais As usinas siderúrgicas oferecem uma ampla gama de aços destinados à construção civil, como chapas, barras, perfis laminados, fios trefilados, cordoalhas e cabos. Cada tipo de aço possui características únicas, tais como resistência, ductilidade e tenacidade, que determinam a sua adequação para diferentes finalidades. No Quadro 1, é possível ver os principais tipos de aço produzidos pelas usinas para a construção civil, junto às suas aplicações específicas. É crucial que o uso do aço na construção seja orientado por profissionais qualificados e baseado em normas técnicas. 9 Quadro 1 – Tipos de aços produzidos nas usinas siderúrgicas e suas aplicações na construção civil Tipo de aço Aplicações ASTM A36 Vigas, pilares e chapas para uso geral ASTM A572 Gr.50 Vigas e pilares de alta resistência e baixa liga ASTM A992 Vigas e pilares de alta resistência e baixa liga ASTM A500 Perfis tubulares estruturais ABNT NBR 7008 Barras e perfis laminados para uso geral ABNT NBR 6650 Cabos de aço para uso geral ABNT NBR 7480 Fios trefilados de alta resistência ABNT NBR 8548 Cordoalhas para concreto protendido Fonte: elaborado pelo autor. Vale destacar que, além dos aços mencionados no Quadro 1, há uma grande variedade de aços produzidos pelas usinas siderúrgicas para atender a aplicações estruturais específicas, como é o caso dos aços inoxidáveis e dos aços utilizados na construção naval. É imprescindível que o uso do aço na construção civil seja feito de forma adequada e seguindo normas técnicas, a fim de garantir a segurança e a durabilidade das estruturas. A escolha do tipo de aço mais adequado para cada aplicação deve ser feita por profissionais capacitados, considerando as características de cada material e as exigências do projeto (Pfeil; Pfeil, 2014). 10 1.2 Perfis laminados Um dos exemplos das peças laminadas utilizadas na construção civil é o perfil metálico, mostrado na Figura 1. Figura 1 – Demonstração do processo de laminação de perfis: (a) a seção transversal do laminador é composta por rolos que giram em sentidos opostos para comprimir uma peça de metal aquecida. Isso resulta na redução da seção da peça e no aumento do seu comprimento; (b) o laminador de perfil I é composto por rolos que definem a altura do perfil, que é determinada pela distância entre as chapas fixas. A variação no espaçamento entre os rolos permite a laminação de perfis I com diferentes espessuras de alma; (c) o processo de laminação do perfil I ocorre em fases progressivas. Fonte: Pfeil e Pfeil (2014, p. 8). As barras são outros exemplos de produtos laminados com seção transversal na qual duas dimensões são significativamenteDimensionamento e detalhamento das ligações 4. Normas e critérios de projeto 5. Aplicações práticas Referências Ligações com conectores Objetivos 1. Introdução 2. Tipos de conectores e de ligações 3. Disposições construtivas 4. Considerações sobre o dimensionamento dos conectores e dos elementos de ligação Referências Ligações com soldas 1. Introdução 2. Tipo, qualidade e simbologia de soldas 3. Resistência e distribuição de esforços nas soldas Referências Objetivosmenores em relação ao comprimento. Elas podem ser laminadas em formatos 11 circulares, quadrados ou retangulares longos, sendo esta última opção conhecida como barras chatas. É comum encontrá-las em diversas aplicações na construção civil devido à sua versatilidade e facilidade de manuseio. É possível ver a aparência desses perfis na Figura 2. Figura 2 – Demonstração de diversos perfis de barras metálicas Fonte: Maxx-Studio/Shutterstock.com. Existem duas categorias de chapas: as grossas, com espessura superior a 5,0 mm, e as finas, produzidas tanto a quente quanto a frio. As chapas grossas são utilizadas em estruturas metálicas em geral, enquanto as finas são empregadas em perfis de chapas dobradas e acessórios de construção, como calhas e rufos (ABNT, 2008). Os laminadores são capazes de produzir perfis estruturais altamente eficientes, como os perfis H, I, C e L, que são conhecidos como perfis laminados. Os perfis H, I e C são fabricados em grupos com altura constante e largura variável das abas, enquanto os perfis L (cantoneiras) também são produzidos em várias espessuras e tamanhos de abas, iguais ou desiguais. Nos Estados Unidos, os perfis são nomeados como perfil I-S (standard beam), perfil I com aba larga e H-W (wide flange) e perfil HP com espessura constante e mesas de faces paralelas. Um 12 perfil laminado é identificado por suas dimensões nominais externas, que consistem em sua altura e largura em milímetros, seguidas da sua massa em kg/m. Um exemplo de designação de perfil laminado em W pode ser o perfil W 610 X 101,6, que tem uma altura de 603 mm e uma largura de 228 mm, com uma massa de 101,6 kg/m. (PFEIL, 2014). Um perfil metálico típico pode ser visualizado na Figura 3. Figura 3 – Perfil metálico HP, com espessura constante e mesas de faces paralelas Fonte: vizinspiration/Shutterstock.com. 1.3 Fios, cordoalhas e cabos Os fios trefilados, bastante utilizados em aplicações estruturais, são produzidos a partir da passagem de uma barra de aço através de fieiras com diâmetros cada vez menores, em um processo chamado trefilação. Esse processo é realizado a frio e requer o uso de lubrificantes para evitar o superaquecimento dos fios e das fieiras. Já as cordoalhas e os cabos são formados pela união de vários fios de aço. 13 Os fios de aço podem ser de aço doce ou de aço duro, este último utilizado em molas, cabos de protensão de estruturas, entre outros. A principal diferença entre o aço doce e o aço duro é a sua composição química e o processo de tratamento térmico. O aço doce é um tipo de aço comum, que contém uma pequena quantidade de carbono em sua composição, geralmente entre 0,1% e 0,5%. Esse tipo de aço é usado em aplicações que não requerem alta resistência ou dureza, como construção civil e fabricação de peças mecânicas simples. Já o aço duro, conhecido também como aço de alta resistência e baixa liga, é um tipo de aço com uma composição química mais complexa, que inclui elementos de liga como o cromo, o vanádio e o molibdênio. Esse tipo de aço passa por um processo de tratamento térmico que o torna mais resistente e duro, o que o torna ideal para aplicações que exigem alta resistência e dureza, como molas, cabos de protensão de estruturas, ferramentas de corte, entre outros. As cordoalhas são compostas por três ou sete fios dispostos em forma de hélice, possuindo um módulo de elasticidade próximo ao de uma barra maciça de aço, com valor de E = 195.000 MPa (Pfeil; Pfeil, 2014). Já os cabos de aço são compostos por fios trefilados finos, organizados em arranjos helicoidais variáveis, sendo muito flexíveis e utilizados em moitões para multiplicação de forças, mas possuem um módulo de elasticidade baixo, cerca de 50% do valor de uma barra maciça. 1.4 Perfis em chapa dobrada É possível transformar chapas metálicas de aços dúcteis em perfis de chapas dobradas por meio da dobragem a frio, utilizando prensas especiais com gabaritos que limitam os raios internos de dobragem para evitar fissuração do aço. No entanto, o uso de chapas finas com menos de 3 mm de espessura pode levar a problemas de instabilidade estrutural que não são encontrados em perfis laminados. Há uma grande variedade de perfis possíveis, alguns com simetria e outros 14 mais complexos, para os quais normas de projeto específicas foram desenvolvidas, como a American Iron and Steel Institute (AISI) e a ABNT NBR 14762 (ABNT, 2010). Um exemplo clássico de perfil em chapa dobrada, o perfil em U, pode ser visualizado na Figura 4. Figura 4 – Perfil U com capa laminada e dobrada a frio Fonte: urfin/Shutterstock.com. Os perfis formados a frio são uma alternativa econômica e versátil aos perfis laminados, já que podem ser fabricados em tamanhos personalizados e formas variadas, permitindo maior flexibilidade no design estrutural. Eles são amplamente utilizados em construções de baixa e média altura, como galpões industriais, edifícios comerciais, residenciais e pontes (Pinheiro, 2005). Para garantir a segurança e a durabilidade dos perfis formados a frio, normas específicas de projeto foram desenvolvidas. Essas normas estabelecem critérios para o dimensionamento de perfis formados a frio e especificam requisitos mínimos para a resistência, estabilidade, deformação e fadiga dos perfis. Entre as normas aplicáveis, estão a ABNT NBR 14762, que trata do projeto de estruturas de aço constituídas 15 por perfis formados a frio, e a ABNT NBR 6355, que estabelece requisitos gerais para o dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis conformados a frio. Além disso, a ABNT NBR 14761 aborda os requisitos de resistência, estabilidade, deformação e fadiga dos perfis formados a frio em geral. 1.5 Ligações As peças estruturais de metal são produzidas com dimensões transversais limitadas pela capacidade dos laminadores e comprimentos limitados pela capacidade dos veículos de transporte. A união das peças metálicas é crucial nas estruturas de aço, e existem, basicamente, dois métodos: utilização de conectores e soldagem. Conectores, como rebites e parafusos, são elementos amplamente utilizados na união de peças metálicas, sendo inseridos em furos que atravessam as peças a serem unidas. Por outro lado, a soldagem é um processo que envolve a fusão das partes em contato para uni-las, sendo uma alternativa comum para a união de elementos metálicos em diversos tipos de estruturas. Nos séculos XIX e XX, os rebites eram os principais meios de ligação, mas a solda se tornou o método predominante nas últimas décadas, graças aos avanços em equipamentos e ao uso de aços-carbono e aços-liga soldáveis. A tendência moderna é usar solda na fabricação em oficinas e parafusos em ligações executadas no campo para maior eficiência. 1.6 Soldas e perfis compostos Os perfis utilizados na construção podem ser formados pela junção de chapas ou de perfis laminados simples. Geralmente, a união entre esses elementos é feita por meio de solda, o que permite que os perfis sejam produzidos em larga escala de forma automatizada e competitiva. A solda é um processo que permite a união de metais por meio do derretimento de suas extremidades e da aplicação de uma pressão 16 adequada para que haja a fusão completa. Dessa forma, a solda garante a formação de perfis resistentes e duráveis, capazes de suportar as cargas previstas em projeto. Além disso, os perfis soldados são padronizados de acordo com a norma brasileira ABNT NBR 5884 (ABNT, 2013), que estabelece três séries de perfis soldados (Quadro 2) com características geométricas específicas. Também, é possível criar perfis compostos, que são formados pela combinação de perfis laminados simples. Esses perfis compostos podem ser mais caros do que os laminados simples, mas são utilizados em casos nos quais é necessário um momento de inércia elevado em duas direções principais, como em colunas ou estacas. Quadro 2 – Séries de perfis soldados e suas siglas conforme a NBR5884:2013 Série de perfis soldados Sigla Descrição Colunas soldadas CS Perfis soldados de colunas Vigas soldadas VS Perfis soldados de vigas Colunas e vigas soldadas CVS Perfis soldados de colunas e vigas Fonte ABNT (2013, p. 4). Os perfis CS são perfis soldados de colunas, que são utilizados para suportar cargas verticais em estruturas metálicas. Esses perfis são fabricados a partir de chapas de aço dobradas e soldadas longitudinalmente para formar uma seção transversal com formato tubular ou retangular. Os perfis CS são utilizados, principalmente, em estruturas metálicas de edifícios e pontes, em que é necessário suportar grandes cargas verticais. Eles também são frequentemente usados em torres de telecomunicações, torres de energia eólica e outras estruturas que requerem alta resistência e rigidez. 17 Os perfis VS são perfis soldados de vigas, que são utilizados para suportar cargas horizontais em estruturas metálicas. Esses perfis são fabricados a partir de chapas de aço dobradas e soldadas longitudinalmente para formar uma seção transversal com formato I, H ou duplo T. São usados, principalmente, em estruturas metálicas de edifícios e pontes, em que é necessário suportar cargas horizontais, como vento e terremotos. Eles também são frequentemente usados em estruturas de mezanino, coberturas e galpões industriais. Já os perfis CVS são perfis soldados de colunas e vigas, que são utilizados para suportar cargas verticais e horizontais em estruturas metálicas. Esses perfis são fabricados a partir de chapas de aço dobradas e soldadas longitudinalmente para formar uma seção transversal com formato retangular. São utilizados em estruturas metálicas que exigem suporte tanto para cargas verticais quanto horizontais, como em edifícios com grandes vãos livres, pontes suspensas e outras estruturas complexas. Eles oferecem alta resistência e rigidez, além de permitir a otimização do projeto estrutural, resultando em economia de materiais e custos. Os perfis soldados e compostos podem ser verificados na Figura 5. Figura 5 – (a) Perfil I formado pela união de três chapas e (b) (c) (d) perfis compostos formados pela associação de perfis laminados simples Fonte: Pfeil e Pfeil (2014, p. 23). 18 Na Figura 5(a), há um perfil em formato de “I” que é formado pela união de três chapas. Esses perfis podem ser produzidos em larga escala com competitividade devido aos processos automatizados de soldagem. Já nos casos mostrados na Figura 5 (b), (c) e (d), são apresentados perfis compostos, que são formados pela junção de perfis laminados simples. Embora mais caros do que os laminados simples, esses perfis compostos são utilizados para atender às necessidades de cálculo em estruturas como colunas ou estacas, que exigem momentos de inércia elevados em ambas as direções principais. Concluindo, os elementos estruturais em aço são amplamente utilizados na construção civil e em outras áreas de engenharia, graças à sua alta resistência, durabilidade e facilidade de manuseio. Os perfis laminados, chapas, soldas, parafusos e rebites são componentes comuns dessas estruturas, cada um com sua função específica. A seleção adequada desses elementos é fundamental para garantir a segurança e a eficiência da estrutura. Além disso, o uso de tecnologias modernas, como a soldagem automatizada, tem permitido uma produção mais rápida e econômica desses elementos, tornando-os cada vez mais acessíveis e viáveis em termos de custo-benefício. Referências AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION. Specification for Structural Steel Buildings: Commentary on the Specification for Structural Steel Buildings. ANSI/ AISC, Chicago, v. 36010, 2005. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8800. Projeto de Estruturas de Aço e de Estruturas Mistas de Aço e Concreto de Edifícios. Rio de Janeiro: ABNT, 2008. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14762. Projeto de Estruturas de Aço e de Estruturas Mistas de Aço e Concreto de Edifícios. Rio de Janeiro: ABNT, 2010. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5884. Perfis de aço soldados por resistência de topo com entalhe em T–Dimensões. Rio de Janeiro: ABNT, 2013. 19 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14761. Perfil estrutural de aço formado a frio–Padronização. Rio de Janeiro: ABNT, 2010. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14762. Projeto de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio–Padronização. Rio de Janeiro: ABNT, 2010. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6355. Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis conformados a frio–Procedimento. Rio de Janeiro: ABNT, 1989. PFEIL, W.; PFEIL; M. Estruturas de aço: dimensionamento prático. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2014. PINHEIRO, A. C. F. B. Estruturas Metálicas. 2. ed. São Paulo: Blucher, 2005. 20 Fundamentos do projeto de ligações Autoria: Jesner Marcos Escandolhero Leitura crítica: Igor Brumano Coelho Amaral Objetivos • Compreender os princípios fundamentais das ligações em estruturas metálicas. • Analisar e dimensionar adequadamente as ligações. • Entender as normas e os critérios de projeto, interpretando e aplicando corretamente os requisitos e critérios de projeto estabelecidos nas normas. 21 1. Introdução Olá, caro aluno! Seja bem-vindo à disciplina Fundamentos do Projeto de Ligações. No decorrer do conteúdo, você terá contato com uma variedade de tópicos, que são fundamentais para o projeto de ligações seguras. Começaremos por uma introdução aos conceitos básicos de ligações estruturais, buscando entender por que as ligações desempenham um papel tão importante na estabilidade e resistência global de uma estrutura. Veremos também os diferentes tipos de ligações metálicas, compreendendo o funcionamento de cada uma. Na sequência, abordaremos o comportamento estrutural das ligações com destaque para a importância do dimensionamento adequado, além do seu correto detalhamento em projeto. Conheceremos algumas ligações especiais e compreenderemos os desafios específicos que essas ligações apresentam. Por fim, apresentaremos normas e critérios de projeto que orientam a prática da engenharia de ligações metálicas. 2. Ligações em estruturas metálicas Começaremos explorando as conexões que mantêm as estruturas metálicas unidas e seguras. Neste tópico introdutório, abordaremos os fundamentos essenciais das ligações estruturais, que são a chave para garantir a estabilidade e a resistência de nossas construções. As ligações em estruturas metálicas são os pontos de união entre os elementos estruturais, como vigas, pilares e treliças. Elas desempenham um papel crucial na distribuição das cargas e no comportamento global da estrutura. 22 Mas, por que as ligações são tão importantes? Elas são responsáveis por transferir as cargas entre os elementos estruturais. Uma ligação eficiente deve distribuir as cargas adequadamente, evitando concentrações de tensões e garantindo uma resposta estrutural uniforme. Ao compreendermos o comportamento estrutural das ligações, poderemos projetar conexões que sejam resistentes, rígidas e capazes de suportar as cargas previstas. Isso requer o conhecimento de conceitos, como transferência de momentos, cisalhamento, tração e compressão nas ligações. É importante ressaltar que o projeto de ligações em estruturas metálicas exige considerações cuidadosas. Devemos levar em conta os materiais utilizados, o ambiente em que a estrutura será instalada e as normas técnicas aplicáveis. Além disso, o dimensionamento das ligações deve considerar as forças atuantes, levando em conta os aspectos estáticos e dinâmicos. Ao dominarmos os fundamentos das ligações em estruturas metálicas, estaremos prontos para avançar aos tópicos subsequentes, explorando os diversos tipos de ligações, o dimensionamento adequado e os detalhamentos necessários para garantir a segurança e eficiência de nossas estruturas. 2.1 Tipos de ligações metálicas Agoraque entendemos os fundamentos das ligações em estruturas metálicas, exploraremos os diferentes tipos de ligações existentes. Esses tipos de ligações nos oferecem opções versáteis para conectar elementos estruturais e garantir a estabilidade e resistência de nossas construções. Para que o projeto de uma estrutura de aço seja considerado econômico e seguro, é essencial que as ligações entre os componentes dessa estrutura recebam atenção e tratamento 23 apropriados. A modelagem de uma ligação é muito complexa, devido ao grande número de parâmetros envolvidos. Por outro lado, o uso de recursos experimentais se apresenta como uma ferramenta fundamental para uma adequada avaliação do comportamento estrutural de uma ligação (Andrade, 2016). As ligações parafusadas são amplamente utilizadas na construção de estruturas metálicas. Nesse tipo de ligação, os elementos estruturais são unidos por meio de parafusos. Outro tipo comum de ligação em estruturas metálicas é a ligação soldada. Nesse caso, os elementos são conectados por meio da fusão de materiais, criando uma união permanente e contínua. Além das ligações parafusadas e soldadas, temos as ligações mistas, as quais combinam elementos parafusados e soldados para obter o melhor dos dois métodos. As ligações mistas oferecem uma combinação flexível e eficiente, adaptando-se às necessidades específicas de cada projeto. As ligações por rebites já foram muito utilizadas no passado e, atualmente, estão em desuso, por isso não serão abordadas neste conteúdo (Andrade, 2016). Ao projetar as ligações, é fundamental considerar vários fatores, como as forças atuantes, as características dos materiais, as condições ambientais e os requisitos de desempenho da estrutura. É necessário seguir as normas técnicas aplicáveis, que fornecem diretrizes detalhadas para o dimensionamento e o detalhamento adequados das ligações em estruturas metálicas. Ao compreendermos os diferentes tipos de ligações metálicas, podemos selecionar a melhor abordagem para cada situação, levando em consideração os requisitos estruturais, econômicos e de construtibilidade. 24 2.2 Ligações especiais Uma das ligações especiais mais relevantes é a ligação de base de colunas, utilizada para conectar uma coluna à sua fundação, transmitindo as cargas verticais e horizontais e os momentos fletor e de torção entre a estrutura e o solo. O projeto adequado dessa ligação é essencial para garantir a estabilidade global da estrutura. Existem diferentes tipos de ligações de base de colunas, como a ligação por placa de base, a ligação com chapa de ancoragem e a ligação com chumbadores. Cada tipo apresenta características distintas e exige análises específicas. Outra ligação especial relevante é a ligação viga-pilar. Essa ligação é utilizada para conectar vigas a pilares, transferindo as cargas e os momentos entre eles. A ligação viga-pilar pode ser realizada por meio de parafusos, soldas ou uma combinação de ambos, dependendo das demandas estruturais e dos requisitos de projeto. Um exemplo comum é a ligação viga-pilar com conectores de cisalhamento, como os do tipo pino e os do tipo solda. Esses conectores permitem a transferência de cargas de cisalhamento entre a viga e o pilar. O dimensionamento adequado dos conectores, levando em consideração as forças atuantes e as propriedades dos materiais, é fundamental para garantir a resistência e rigidez da ligação. Outro exemplo importante é a ligação de momento em estruturas metálicas, que é utilizada para transferir momentos fletor e torção entre elementos estruturais. Essas ligações especiais são projetadas para resistir aos momentos atuantes e garantir a estabilidade da estrutura. A ligação de momento pode ser realizada por meio de placas de extremidade, que são conectadas aos elementos estruturais por meio de parafusos de alta resistência ou soldas. É necessário considerar o 25 dimensionamento adequado das placas, a resistência dos materiais, a rigidez da ligação e a distribuição de tensões para garantir a eficiência e a segurança da ligação de momento. Além dos exemplos citados, existem várias outras ligações especiais, como ligações de treliças metálicas, ligações expostas à ação do fogo, ligações sujeitas a cargas cíclicas e ligações em estruturas de grande porte. Cada tipo de ligação demanda uma análise específica e o cumprimento das normas técnicas pertinentes, como a ABNT NBR 8800:2008–Projeto de Estruturas de Aço e de Estruturas Mistas de Aço e Concreto e a ABNT NBR 8802:2013–Projeto de Estruturas de Aço e de Estruturas Mistas de Aço e Concreto–Procedimento para Projetos de Estruturas de Aço de Edifícios. 3. Dimensionamento e detalhamento das ligações Agora, exploraremos como essas conexões transferem as cargas e afetam o desempenho global da estrutura, e o que deve ser observado quanto ao seu dimensionamento e detalhamento em projeto. 3.1 Comportamento estrutural das ligações Quando falamos sobre o comportamento estrutural das ligações, estamos interessados em como as forças são transmitidas entre os elementos estruturais e como essas conexões influenciam a resposta da estrutura às cargas aplicadas. Analisaremos alguns aspectos-chave. As ligações parafusadas, por exemplo, transferem as cargas, principalmente, por meio de cisalhamento e tração. Os parafusos são projetados para resistir a essas forças, mas é importante garantir uma distribuição uniforme das cargas. Por outro lado, as ligações soldadas 26 transmitem as cargas, principalmente, por meio da solidificação do material de solda. A qualidade da soldagem é fundamental para garantir a resistência e rigidez adequadas da ligação. Além de tudo isso, é importante entender como as ligações afetam a rigidez e a capacidade de deformação da estrutura. Por exemplo, ligações rígidas podem aumentar a rigidez global da estrutura, reduzindo as deformações, enquanto ligações flexíveis podem permitir maiores deformações, dissipando energia durante eventos extremos, como terremotos e outros eventos sismológicos. Consideraremos um exemplo prático: uma ponte metálica. As ligações entre os elementos da ponte desempenham um papel fundamental na resistência e estabilidade da estrutura. Uma ponte metálica é uma estrutura complexa que requer cuidadosa consideração das ligações para garantir sua estabilidade e segurança. Ainda neste exemplo, ao analisar o comportamento estrutural das ligações em uma ponte metálica, é necessário considerar as forças de cisalhamento, momento fletor, torção e forças axiais. É importante garantir que a distribuição de tensões seja adequada e que as deformações sejam controladas dentro de limites aceitáveis. Também, para garantir a resistência adequada das ligações, é essencial realizar cálculos precisos de dimensionamento. É necessário levar em consideração a capacidade de carga dos elementos estruturais, a resistência dos materiais e as normas técnicas aplicáveis. O dimensionamento adequado das ligações envolve a análise das tensões e deformações para garantir que elas estejam dentro dos limites permitidos. Outro aspecto importante aqui é a conexão entre as vigas principais e as vigas secundárias da ponte. Essas conexões devem ser projetadas para transmitir adequadamente as cargas, distribuindo-as de maneira 27 uniforme e evitando concentrações de tensões. É fundamental garantir que a rigidez dessas ligações seja compatível com o comportamento global da ponte, para evitar problemas, como deformações excessivas ou desalinhamentos. Adicionalmente, é necessário considerar o efeito das ligações na resposta dinâmica da ponte. As ligações podem influenciar a frequência natural da estrutura, afetando sua resposta a vibrações e movimentos. Uma ligação rígida pode aumentar a rigidez global da ponte, diminuindo suas oscilações naturais. Por outro lado, uma ligação mais flexível pode permitir maior capacidade de dissipação de energia durante eventos sísmicos.Além disso, é importante considerar o tipo de ligação mais adequado para cada ponto da ponte. Por exemplo, nas áreas sujeitas a momentos fletor e torção, podem ser necessárias ligações mais complexas, como ligações mistas que combinam elementos parafusados e soldados. Essas ligações proporcionam maior resistência e rigidez para lidar com as forças atuantes nessas regiões críticas. Por fim, o detalhamento adequado das ligações é crucial para garantir a qualidade da construção. A geometria da junta, a preparação das superfícies, a seleção de materiais de solda e a aplicação de práticas de qualidade são fundamentais para obter ligações duráveis e confiáveis ao longo do tempo. A inspeção e manutenção periódica das ligações também são essenciais para garantir a integridade da ponte. Ao compreendermos o comportamento estrutural das ligações, poderemos projetar ligações eficientes, resistentes e seguras, otimizando o desempenho global das estruturas metálicas. 3.2 Dimensionamento das ligações A etapa de dimensionamento das ligações em estruturas metálicas tem o objetivo de garantir a resistência, rigidez e segurança das conexões 28 entre os elementos estruturais. Para isso, são considerados diversos aspectos, como cálculo de resistência e rigidez das ligações, verificação da capacidade de carga e considerações de fadiga e fluência. O cálculo de resistência das ligações envolve a determinação das forças e momentos atuantes na ligação, bem como a seleção adequada dos elementos que a compõem, como parafusos, chapas, soldas, entre outros. A resistência desses componentes é verificada levando em consideração as tensões e deformações geradas pelas cargas aplicadas. Um exemplo prático seria o dimensionamento de uma ligação viga- coluna utilizando parafusos de alta resistência. Nesse caso, é necessário calcular as forças de cisalhamento, momento fletor e momento de torção transmitidos pela ligação. Com base nessas cargas, são selecionados os parafusos apropriados, considerando sua resistência ao cisalhamento e ao esmagamento, além das chapas e soldas, que devem atender aos requisitos de resistência à tração e flexão. Além do cálculo de resistência, a rigidez das ligações é um fator crucial no dimensionamento. A rigidez está relacionada à capacidade de a ligação transmitir os deslocamentos e as deformações entre os elementos estruturais de forma adequada. Uma ligação rígida demais pode gerar concentração de esforços e deslocamentos excessivos em outros pontos da estrutura, enquanto uma ligação flexível demais pode comprometer a estabilidade global. A verificação da capacidade de carga das ligações consiste em avaliar se a ligação é capaz de suportar as cargas atuantes sem exceder seus limites de resistência. Isso envolve a análise de diferentes estados limites, como o escoamento dos materiais, a resistência ao esmagamento, a resistência à tração e a deformação excessiva. Considerando a fadiga e a fluência, é importante verificar se as ligações estão dimensionadas para resistir a carregamentos cíclicos e de longa 29 duração ao longo da vida útil da estrutura. A fadiga ocorre quando a ligação é submetida a cargas variáveis ao longo do tempo, podendo levar à falha por repetição cíclica de esforços. A fluência, por sua vez, está relacionada ao comportamento do material sob cargas constantes e prolongadas, podendo levar ao aumento progressivo das deformações. No dimensionamento de ligações sujeitas à fadiga e fluência, são considerados os critérios estabelecidos pelas normas técnicas, como a ABNT NBR 8800:2008, que apresenta diretrizes específicas para a análise e o dimensionamento de ligações em estruturas de aço. 3.3 Detalhamento das ligações É na etapa do detalhamento que são definidas a geometria e a disposição dos elementos de ligação, levando em consideração aspectos, como prevenção de concentração de tensões, deformações e deslocamentos aceitáveis. A geometria e a disposição dos elementos de ligação têm grande influência na capacidade de carga, na rigidez e na durabilidade das ligações. Um detalhamento adequado visa distribuir as tensões e as deformações de maneira uniforme ao longo da ligação, evitando pontos de concentração de tensões que possam levar a falhas prematuras. A prevenção de concentração de tensões envolve técnicas, como o arredondamento de cantos, o uso de raios de curvatura adequados e o dimensionamento correto das chapas e soldas. Essas medidas visam evitar o surgimento de pontos de tensões elevadas que poderiam levar a deformações excessivas ou até mesmo à ruptura da ligação. Outro aspecto importante no detalhamento das ligações é a consideração das deformações e dos deslocamentos. Em estruturas sujeitas a movimentações térmicas, cargas cíclicas ou assentamentos 30 diferenciais, é fundamental permitir acomodações adequadas das ligações para evitar tensões excessivas e falhas estruturais. 4. Normas e critérios de projeto Agora, exploraremos o importante tema das normas e dos critérios de projeto para ligações em estruturas metálicas. Essas normas estabelecem diretrizes e requisitos técnicos que devem ser seguidos para garantir a segurança, a eficiência e a qualidade das ligações. Tanto as normas brasileiras quanto as internacionais desempenham um papel fundamental nesse contexto. 4.1 Normas brasileiras e internacionais para projeto de ligações metálicas No Brasil, a principal norma técnica que estabelece critérios e requisitos para o projeto de ligações em estruturas metálicas é a ABNT NBR 8800:2008–Projeto de Estruturas de Aço e de Estruturas Mistas de Aço e Concreto. Essa norma abrange uma ampla gama de tópicos relacionados às ligações metálicas, desde a seleção dos materiais até as verificações de resistência, estabilidade e durabilidade das ligações. A ABNT NBR 8800:2008 fornece orientações detalhadas sobre os métodos de dimensionamento das ligações, levando em consideração aspectos, como resistência dos materiais, capacidade de carga, solicitações de serviço, segurança estrutural e critérios de projeto. Além disso, essa norma aborda os tipos de ligações, suas configurações e seus detalhes construtivos. No âmbito internacional, existem diversas normas que são amplamente reconhecidas e adotadas no projeto de ligações metálicas. Algumas das mais relevantes incluem: 31 • As normas da American Institute of Steel Construction (AISC), como a AISC 360 – Specification for Structural Steel Buildings. • O conjunto de normas Eurocode 3 – Design of Steel Structures. • A norma da British Standard (BS), BS 5950 – Structural Use of Steelwork in Building. 4.2 Procedimentos de cálculo e dimensionamento Os procedimentos de cálculo e dimensionamento das ligações metálicas incluem a determinação das forças e dos momentos atuantes nas ligações, a seleção dos elementos de ligação apropriados, a verificação da capacidade resistente deles e as considerações de fadiga e fluência. O projeto de ligações, basicamente, envolve duas diferentes estratégias que podem ser identificadas para minimizar seus custos: simplificação do detalhe da ligação, reduzindo-se os custos de fabricação, e redução das dimensões dos elementos estruturais, diminuindo os custos de material (Andrade, 2016). É essencial ressaltar que o cálculo e o dimensionamento das ligações metálicas devem ser realizados por profissionais qualificados e experientes, levando em consideração as diretrizes das normas técnicas aplicáveis e as especificidades de cada projeto. 5. Aplicações práticas Ressaltaremos alguns exemplos de aplicações práticas de ligações metálicas em estruturas reais: 32 • Ligações de pórticos: ligações encontradas em pórticos metálicos, utilizados em diferentes tipos de edificações, como galpões industriais, centros esportivos e pontes. • Ligações de vigas e colunas: de extrema importância para garantir a estabilidade e a transferência de cargas. • Ligações de coberturas: demandam atenção especialdevido aos carregamentos dinâmicos, como ventos e cargas devido à ação de intempéries. • Ligações de elementos complexos: em casos mais complexos, como pontes estaiadas, torres de telecomunicações e estruturas especiais, são encontradas ligações que envolvem geometrias e configurações mais desafiadoras. Ao estudar os casos práticos, é importante analisar também os problemas comuns encontrados em projetos estruturais e as soluções adotadas para superá-los. Alguns exemplos incluem: problemas de estabilidade, concentração de tensões, deformações excessivas e adequação às normas técnicas. Referências AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION. Specification for Structural Steel Buildings: Commentary on the Specification for Structural Steel Buildings. ANSI/ AISC, Chicago, v. 36010, 2005. ANDRADE, S. Comportamento e projeto de estruturas de aço. Rio de Janeiro: Elsevier, 2016. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8800. Projeto de Estruturas de Aço e de Estruturas Mistas de Aço e Concreto de Edifícios. Rio de Janeiro: ABNT, 2008. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8802. Projeto de Estruturas de Aço e de Estruturas Mistas de Aço e Concreto–Procedimento para Projetos de Estruturas de Aço de Edifícios. Rio de Janeiro: ABNT, 2013. 33 EUROCODE 3. Design steel of structures: Part 1.1–General rules and rules for buildings–Revised Annex J: Joints in building frames. [S. l.]: [s. n.], 1993. PFEIL, W.; PFEIL; M. Estruturas de aço: dimensionamento prático. Rio de Janeiro: LTC, 2014. PINHEIRO, A. C. F. B. Estruturas Metálicas. 2. ed. São Paulo: Blucher, 2005. STEEL CONSTRUCTION INSTITUTE. Design of simple Span Steel Portal Frames to BS 5950-1:2000. SCI Publication P252. [S. l.]: [s. n.], 2004. 34 Ligações com conectores Autoria: Jesner Marcos Escandolhero Leitura crítica: Igor Brumano Coelho Amaral Objetivos • Compreender a importância das ligações metálicas com conectores na construção de estruturas metálicas. • Analisar as disposições construtivas das ligações metálicas com conectores. • Entender os princípios do dimensionamento dos conectores e dos elementos de ligação. 35 1. Introdução Você já se perguntou como diferentes partes de uma estrutura metálica são unidas? A resposta está nas ligações metálicas e, em muitos casos, com conectores. Esses elementos permitem unir diferentes partes da estrutura, transferindo esforços entre elas e garantindo a estabilidade e segurança da construção. Discutiremos os diferentes tipos de conectores e ligações, as disposições construtivas e o dimensionamento dos conectores e elementos de ligação. As ligações metálicas com conectores são amplamente utilizadas em estruturas metálicas devido à sua versatilidade e facilidade de execução. Elas podem ser usadas para unir diferentes tipos de elementos estruturais, como vigas, colunas e treliças. Isso permite a construção de estruturas complexas com rapidez e eficiência. Além do tipo de conector utilizado, a classificação da ligação quanto ao esforço solicitante dos conectores também é um aspecto importante a ser considerado no projeto de ligações metálicas. 2. Tipos de conectores e de ligações Agora que já introduzimos a importância das ligações metálicas com conectores, discutiremos os diferentes tipos de conectores e ligações que podem ser utilizados em estruturas metálicas. 2.1 Rebites Os rebites são conectores mecânicos que consistem em um pino com uma cabeça em uma extremidade. Eles são inseridos em furos previamente perfurados nas peças a serem unidas e, em seguida, a 36 extremidade oposta à cabeça é deformada para formar outra cabeça, prendendo as peças juntas. • Os rebites são conectores instalados a quente, o produto final apresentando duas cabeças. Pelo resfriamento, o rebite comprime as chapas entre si; o esforço de aperto é, entretanto, muito variável, não se podendo garantir um valor mínimo a considerar nos cálculos. (Pfeil; Pfeil, 2014, p. 68) Figura 1 – Rebite. (a) Colocação do rebite no furo após seu aquecimento até uma temperatura de cerca de 1000 °C. (b) Formação da cabeça arredondada por martelamento (em geral, com ferramenta pneumática) e com escoramento do lado da cabeça pré-formada. (c) Com o resfriamento, o rebite encolhe apertando as chapas. (d) Rebite trabalhando a corte Fonte: Pfeil e Pfeil (2014, p. 68). Os rebites eram amplamente utilizados em estruturas metálicas no passado, mas, atualmente, seu uso tem diminuído devido à popularidade dos parafusos. No entanto, eles ainda são utilizados em algumas aplicações, como na construção de pontes e na indústria aeronáutica. Uma vantagem dos rebites é que eles podem ser instalados sem a necessidade de acesso ao lado oposto da ligação. Isso pode ser útil em situações em que o acesso é limitado. No entanto, a instalação de 37 rebites requer equipamentos especiais e pode ser mais demorada do que a instalação de parafusos. 2.2 Parafusos comuns Os parafusos comuns são conectores mecânicos que consistem em um pino roscado com uma cabeça hexagonal ou quadrada. São inseridos em furos previamente perfurados nas peças a serem unidas e, em seguida, apertados com uma porca na extremidade oposta. Os parafusos comuns são amplamente utilizados em estruturas metálicas devido à sua facilidade de instalação e remoção, podendo ser instalados com ferramentas manuais simples, não requerendo equipamentos especiais, no entanto têm uma resistência à tração e ao cisalhamento menor que os parafusos de alta resistência. Eles também podem afrouxar com o tempo devido a vibrações e variações de temperatura, podendo, assim, comprometer a segurança da ligação. Fabricados em aço-carbono, designados como ASTM A307 ou apenas como A307, são usados para pequenas treliças, plataformas simples, passadiços, terças, vigas de tapamento, estruturas leves etc. Possuem um baixo custo, porém também têm baixa resistência. (Pinheiro, 2005, p. 59) 2.3 Parafusos de alta resistência Os parafusos de alta resistência são conectores mecânicos semelhantes aos parafusos comuns, mas com uma resistência à tração e ao cisalhamento significativamente maior. São fabricados com aços de alta resistência e apertados com um torque específico para garantir uma pré-carga adequada na ligação. 38 São amplamente utilizados em estruturas metálicas, em que é necessário um alto desempenho da ligação, oferecendo uma resistência superior à tração e ao cisalhamento e permitindo a construção de ligações mais eficientes. Todavia, requerem um controle rigoroso durante a instalação para garantir que o torque adequado seja aplicado, portanto são mais caros que os parafusos comuns. De acordo com Pinheiro (2005), nos parafusos de alta resistência por atrito, temos os tipos A325-F e A490-F, sendo o F relativo a Friction (Fricção). Neste tipo de parafuso (F), tem-se uma protensão no parafuso, que é medida pelo torque aplicado na porca. O deslizamento relativo entre as chapas é evitado devido à protensão (Figura 2(a)). Pinheiro (2005) apresenta, ainda, os parafusos de alta resistência por contato, A325-N, A490-N (N–Normal) e A325-X e A490-X (X–eXcluded). No tipo de parafuso N, a rosca está no plano de cisalhamento. A resistência do parafuso N será menor que a do parafuso tipo X (Figura 2(b)). Já no tipo de parafuso X, a rosca está fora do plano de cisalhamento do corpo do parafuso (Figura 2(c)). Figura 2 – Parafusos de alta resistência (a) por atrito, (b) por contato com rosca no plano de cisalhamento e (c) por contato com rosca fora do plano de cisalhamento Fonte: adaptada de Pinheiro (2005). 39 2.4 Classificação da ligação quanto ao esforço solicitante nos conectores Além do tipo de conector utilizado, a classificação da ligação quanto ao esforço solicitante dos conectores também é um aspecto importante a ser considerado no projeto de ligações metálicas. As ligações podem ser classificadas como simples ou rígidas, dependendo da capacidade dos conectores de transferir momentosfletores entre os elementos ligados. As ligações simples são aquelas em que os conectores têm capacidade limitada de transferir momentos fletores entre os elementos ligados. Elas são utilizadas, principalmente, para transferir esforços axiais (tração ou compressão) entre os elementos. Já as ligações rígidas, por outro lado, são aquelas em que os conectores têm capacidade suficiente para transferir momentos fletores entre os elementos ligados. Elas são utilizadas, principalmente, em situações em que é necessário garantir a continuidade estrutural entre os elementos ligados. De acordo com Pfeil e Pfeil (2014), é possível identificar diferentes tipos de ligações com base nas solicitações que impõem aos conectores. Um exemplo é o caso das ligações de peças tracionadas (Figura 3(a)), em que as chapas se apoiam no fuste do conector, resultando em pressões de contato que criam um carregamento autoequilibrado. Esse tipo de carregamento gera esforços de flexão no conector, incluindo esforço cortante e momento fletor. Devido ao comprimento geralmente reduzido dos conectores, o esforço cortante é o principal responsável pela resistência nesse contexto, o que torna essa ligação conhecida como ligação por corte. Na ligação da Figura 3(b), os conectores estão sujeitos à tração axial, enquanto nas ligações das Figuras 3(c) e 3(d), os conectores sofrem esforços de tração e corte. Os parafusos superiores da ligação da Figura 3(c) ficam tracionados por ação do momento fletor produzido na ligação pela excentricidade de carga, e na ligação da Figura 3(d) todos 40 os parafusos ficam igualmente tracionados em razão da componente horizontal da carga (Pfeil; Pfeil, 2014). Figura 3 – Classificações das ligações quanto ao esforço solicitante. (a) Ligação por corte, (b) ligação por tração e (c) (d) ligações a corte e tração dos conectores Fonte: adaptada de Pfeil e Pfeil (2014). É importante escolher o tipo de conector e de ligação adequados para cada situação, levando em consideração fatores, como a resistência, a facilidade de instalação e o custo. 3. Disposições construtivas Além de escolher o tipo de conector e de ligação adequados, é importante considerar as disposições construtivas das ligações metálicas com conectores. Essas disposições incluem aspectos, como a furação de chapas e os espaçamentos dos conectores. 3.1 Furação de chapas A furação de chapas é um aspecto importante a ser considerado no projeto de ligações metálicas com conectores. Os furos devem ser dimensionados adequadamente para permitir a inserção dos conectores 41 e garantir a resistência da ligação. As perfurações devem ser feitas com precisão para garantir um alinhamento adequado entre as peças a serem unidas. Além disso, é importante evitar a perfuração excessiva das chapas, pois isso pode comprometer a resistência da ligação. Segundo Pfeil e Pfeil (2014), é recomendado que o furo-padrão para parafusos comuns possua uma folga de 1,5 mm em relação ao diâmetro nominal do parafuso (Figura 4(a)). Essa tolerância é essencial para permitir a montagem adequada das peças. Além disso, os autores destacam que o método mais econômico de realizar os furos é o puncionamento no diâmetro final. Isso é viável para chapas com espessura (t) até o diâmetro nominal do conector, acrescido de 3 mm, ou seja, t ≤ d + 3 mm. Ainda de acordo com Pfeil e Pfeil (2014), para chapas mais grossas, os furos deverão ser abertos com broca ou por punção, inicialmente com diâmetro pelo menos 3 mm inferior ao definitivo e, posteriormente, alargados com broca. Como o corte do furo por punção danifica uma parte do material da chapa, considera-se, para efeito de cálculo da seção líquida da chapa furada, um diâmetro fictício igual ao diâmetro do furo (d′) acrescido de 2 mm, ou seja, diâmetro fictício = d′ + 2 mm = d + 3,5 mm. Figura 4 – Tipos de furos: (a) furo-padrão, (b) furo alargado, (c) furo pouco alongado e (d) furo muito alongado (d = diâmetro nominal do parafuso) Fonte: Pfeil e Pfeil (2014, p. 72). 42 Além do furo-padrão, as ligações podem ser feitas com furos alargados ou alongados, ilustrados na Figura 4. O emprego dos furos alargados e alongados na direção da força se restringe às ligações do tipo atrito, enquanto os furos alongados com a maior dimensão do furo perpendicular à direção da força podem ser usados em ligações do tipo contato. Os furos alargados e alongados só devem ser usados em situações especiais, para atender a dificuldades de montagem, necessitando de aprovação do responsável pelo projeto (Pfeil; Pfeil, 2014). 3.2 Espaçamento dos conectores O espaçamento adequado entre os conectores pode garantir uma distribuição uniforme dos esforços na ligação e evitar o surgimento de tensões excessivas nas chapas, devendo ser respeitados espaçamentos mínimos, de modo a garantir a resistência da ligação. Outro ponto importante é evitar o agrupamento excessivo de conectores em uma área pequena, pois isso também influencia na resistência da ligação. Na ABNT NBR-8800 (ABNT, 2008), estão estabelecidos valores mínimos para os espaçamentos e as distâncias entre parafusos e bordas. O espaçamento mínimo entre centros de furos padrão, por exemplo, não deve ser inferior a “3d”. A distância livre entre as bordas de dois furos consecutivos também não deve ser inferior a “d”. Somente devem ser empregados furos alargados ou pouco alongados na direção da força quando a ligação for calculada por atrito. O Quadro 1, extraído da ABNT NBR-8800 (2008), fornece, ainda, uma distância mínima entre a linha de centro de um furo padrão à borda da chapa mais próxima. Note que as equações e o quadro que regulam as distâncias entre parafusos e bordas são válidos para furos padrão. Recomendações especiais para furos alongados ou alargados podem ser obtidas na ABNT NBR-8800 (ABNT, 2008; Andrade, 2016). 43 Quadro 1 – Distância mínima entre a linha de centro de um furo padrão e a borda da chapa (NBR-8800) Diâmetro “d” Borda cortada com serra ou tesoura (mm) Borda laminada ou cortada a plasma ou maçarico (mm)ASTM ISO - M 12 21 18 1/2” - 22 19 5/8” M 16 29 22 3/4” - 32 26 - M 20 35 27 7/8” M 22 38 29 - M 24 42 31 1” - 44 32 - M27 50 38 1 1/8” - 51 38 - M 30 53 39 1 1/4” - 57 42 - M 36 64 46 > 1 1/4” > M36 1,75 d 1,25 d Fonte: adaptado de ABNT (2008). Pfeil e Pfeil (2014) resumem, na Figura 5, as indicações da ABNT NBR 8800:2008 para espaçamentos mínimos no caso de furos do tipo padrão. Figura 5 – Espaçamentos construtivos mínimos recomendados para conectores, com furação-padrão Fonte: Pfeil e Pfeil (2014, p. 73). Conforme Pfeil e Pfeil (2014), os espaçamentos máximos entre conectores têm como objetivo evitar a penetração de água e sujeira 44 nas interfaces. Esses espaçamentos são estabelecidos com base na espessura (t) da chapa mais fina, seguindo a norma ABNT NBR 8800:2008. Para elementos pintados ou não sujeitos à corrosão, o espaçamento máximo é de 24 vezes a espessura da chapa (24t) para dimensões menores que 300 mm. Já para elementos sujeitos à corrosão, construídos com aços resistentes à corrosão e não pintados, o espaçamento máximo é de 14 vezes a espessura da chapa (14t) para dimensões menores que 180 mm. Ainda de acordo com a ABNT NBR 8800:2008, a distância máxima de um conector à borda da chapa é tomada igual a 12 t ≯ 150 mm. 4. Considerações sobre o dimensionamento dos conectores e dos elementos de ligação O dimensionamento adequado dos conectores e dos elementos de ligação é fundamental para garantir a resistência e a segurança das ligações metálicas com conectores. Agora, discutiremos os principais aspectos a serem considerados no dimensionamento desses elementos. 4.1 Resistência dos conectores Os conectores devem ter resistência suficiente para suportar as solicitações de cálculo impostas pela estrutura, sendo que ela pode ser determinada com base nas normas técnicas aplicáveis, como a ABNT NBR 8800:2008. Essa norma estabelece os critérios parao dimensionamento dos elementos de ligação e dos meios de ligação em estruturas metálicas. De acordo com a ABNT NBR 8800:2008, os elementos de ligação e os meios de ligação deverão ser dimensionados de forma que as suas resistências de cálculo, correspondentes aos estados limites em consideração, sejam maiores que as solicitações de cálculo. 45 4.2 Dimensionamento dos elementos de ligação Além da resistência dos conectores, é importante dimensionar adequadamente os elementos de ligação, como as chapas e os enrijecedores. Esses elementos devem ter resistência suficiente para suportar as solicitações impostas pela estrutura. O dimensionamento dos elementos de ligação deve levar em consideração fatores, como a espessura das chapas, o tipo de material utilizado e as solicitações impostas pela estrutura. Além disso, é importante verificar se os elementos de ligação atendem aos requisitos das normas técnicas aplicáveis. Referências ANDRADE, S. Comportamento e projeto de estruturas de aço. Rio de Janeiro: Elsevier, 2016. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8800. Projeto de Estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios. Rio de Janeiro: ABNT, 2008. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14762. Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio. Rio de Janeiro: ABNT, 2010. PFEIL, W.; PFEIL; M. Estruturas de aço: dimensionamento prático. Rio de Janeiro: LTC, 2014. PINHEIRO, A. C. F. B. Estruturas Metálicas. 2. ed. São Paulo: Blücher, 2005. 46 Ligações com soldas Autoria: Jesner Marcos Escandolhero Leitura crítica: Igor Brumano Coelho Amaral Objetivos • Compreender a importância das ligações com soldas na construção de estruturas metálicas. • Analisar as classificações e os tipos de soldas das ligações metálicas. • Entender a simbologia e os princípios do dimensionamento das soldas na construção de estruturas metálicas. 47 1. Introdução Olá, aluno! Você já ouviu falar sobre soldagens? Soldagens são um método de união de peças de metal por meio de fusão. Isso significa que o soldador aquece o metal das peças até que ele se derreta, e depois as une. As soldagens são uma forma de ligação muito versátil e eficiente, e podem ser usadas em uma ampla variedade de aplicações. Por exemplo, as soldagens são usadas na construção civil, na indústria automotiva, na indústria aeronáutica, na indústria naval e em muitas outras indústrias. Existem muitos tipos diferentes de soldagens, e cada um é adequado para um tipo diferente de aplicação. Por exemplo, a soldagem por arco elétrico é um tipo de soldagem muito versátil, que pode ser usada em uma ampla variedade de materiais. Já a soldagem TIG é um tipo de soldagem mais especializado, que é usado para soldar materiais finos ou de alta resistência. As soldagens devem ser projetadas e executadas de acordo com as normas técnicas específicas. Isso é importante para garantir a qualidade das soldagens e para evitar acidentes. Aprenderemos sobre os diferentes tipos de soldagens, os processos de soldagem e as normas técnicas de soldagem, como também sobre a simbologia de soldagem, que é usada para representar as soldagens em desenhos técnicos. 2. Tipo, qualidade e simbologia de soldas Os diferentes tipos de solda têm suas próprias características e aplicações, e a escolha do tipo de solda mais adequado deve ser feita de acordo com o projeto específico. 48 2.1 Tipos de processos Alguns dos tipos de processos de soldagem mais comuns são: • Soldagem por arco elétrico A soldagem por arco elétrico é o tipo de solda mais comum. Ela é realizada por meio do aquecimento do metal por um arco elétrico, que é gerado pela passagem de uma corrente elétrica entre um eletrodo e o metal. A soldagem por arco elétrico pode ser realizada com diferentes tipos de eletrodos, como eletrodos revestidos (Figura 1), eletrodos de tungstênio não consumíveis e eletrodos consumíveis. Figura 1 – Solda de arco com eletrodo revestido. No processo de soldagem, há liberação de gás inerte, protegendo, assim, o metal fundido Fonte: Andrade (2016, p. 57). • Soldagem por arco submerso A solda por arco submerso (Figura 2) envolve o uso de um eletrodo nu junto a um tubo de fluxo contendo material granulado. Esse material 49 granulado tem a função de atuar como isolante térmico, proporcionando proteção contra os efeitos da atmosfera. Durante o processo, o fluxo granulado é parcialmente fundido, resultando na formação de uma camada de escória líquida que se solidifica posteriormente. Essa técnica de soldagem pode ser automatizada ou semiautomatizada, apresentando alta penetração e velocidade. Vale ressaltar que apenas soldas contínuas e planas são realizadas nesse processo. Figura 2 – Solda por arco submerso Fonte: Andrade (2016, p. 57). • Soldagem por resistência A soldagem por resistência é um tipo de solda que não utiliza calor. Ela é realizada a partir da compressão das peças a serem soldadas, de modo que o atrito entre elas gere calor suficiente para fundir o metal. A soldagem por resistência é muito utilizada para soldar metais finos ou em locais com pouca ventilação. 50 • Soldagem oxiacetilênica A soldagem oxiacetilênica é um tipo de solda que utiliza o calor gerado pela combustão de um gás oxigênio com um gás acetileno. Este tipo de solda é muito utilizado para soldar metais finos ou para soldar em locais com pouca ventilação. • Soldagem ao arco elétrico com proteção gasosa Segundo Pinheiro (2005), a solda ao arco elétrico com proteção gasosa é uma técnica versátil, que pode ser aplicada em todas as posições e oferece controle visual. Em ambientes externos, é necessário proteção contra o vento. O gás utilizado pode ser CO2. Essa modalidade de solda é conhecida como solda MIG, quando se utilizam gases inertes ou misturas deles, ou MAG, quando se empregam gases ativos ou uma combinação de gases inertes e ativos. Quando é utilizado um eletrodo de tungstênio com gás inerte, essa técnica é denominada solda TIG (Figura 3). A soldagem TIG é um tipo de solda que utiliza um eletrodo de tungstênio não consumível. Este tipo de solda é muito utilizado para soldar metais de alta resistência ou materiais finos. Figura 3–Solda TIG Fonte: Pinheiro (2005, p. 119). 51 • Soldagem ao arco elétrico com fluxo no núcleo De acordo com Pinheiro (2005), essa soldagem é muito parecida ao processo de arco elétrico com proteção gasosa, entretanto, aqui, o eletrodo é tubular, e o gás é interno ao eletrodo (Figura 4), sendo esse processo também conhecido como arame tubular. Figura 4 – Solda ao arco elétrico com fluxo no núcleo Fonte: Pinheiro (2005, p. 119). 2.2 Classificações quanto à continuidade e posição de soldagem Pinheiro (2005) estabelece que, quanto ao aspecto de continuidade, as soldas podem se apresentar como contínua, ou seja, sem interrupção em sua extensão, intermitente, com descontinuidades ao longo do seu comprimento, e ponteadas, sendo estas não estruturais, servindo apenas para manter as peças em alinhamento até a soldagem definitiva. Quanto à posição de soldagem, Pfeil e Pfeil (2014) destacam as seguintes: plana (Figura 5(a)), horizontal (Figura 5(b)), vertical (Figura 5(c)) e sobrecabeça (Figura 5(d)). 52 Figura 5 – Posições de soldagem com eletrodos. (a) Plana, (b) horizontal, (c) vertical e (d) sobrecabeça Fonte: adaptada de Pfeil e Pfeil (2014). Há também a possibilidade de classificar as ligações com solda em função da posição relativa entre as peças a serem soldadas, sendo as seguintes ligações: de topo (Figura 6(a)), em T (Figura 6(b)), de canto (Figura 6(c)), com transpasse (Figura 6(d)) e em paralelo (Figura 6(e)). Figura 6 – Tipos de ligações com solda, segundo posição relativa entre as peças: (a) de topo, (b) em T, (c) de canto, (d) com transpasse e (e) em paralelo Fonte: adaptada de Pfeil e Pfeil (2014). Pfeil e Pfeil (2014) estabelecem classificações para os tipos de solda de eletrodoconforme a posição da solda em relação ao material a ser soldado. Nas soldas de penetração, o metal de solda é posicionado diretamente entre as peças metálicas, geralmente em chanfros, o que leva a esse tipo de solda também ser conhecido como solda de entalhe. Essa solda pode ser classificada como de penetração total ou parcial, dependendo do caso. 53 Nas soldas de filete, ainda de acordo com Pfeil e Pfeil (2014), o material de solda é depositado nas faces laterais dos elementos conectados. Já nas soldas de tampão e de ranhura, o material é depositado em orifícios circulares ou alongados, previamente preparados em uma das chapas do material-base. A execução das soldas pode ser realizada com um único passe do eletrodo ou por meio de passes sobrepostos, dependendo da técnica adotada. Os chanfros das soldas de eletrodo podem apresentar diversas formas, quando por penetração total, como: sem chanfro (Figura 7(a)), em bisel simples (Figura 7(b)), em V simples (Figura 7(c)), em bisel duplo (Figura 7(d)) e em V duplo (Figura 7(e)). Figura 7 – Tipos de ligações com soldas, conforme a posição da solda em relação ao material a ser soldado: (a) sem chanfro, (b) em bisel simples, (c) em V simples, (d) bisel duplo e (e) em V duplo Fonte: adaptada de Pfeil e Pfeil (2014). 2.3 Qualidade da solda A qualidade da solda é influenciada por uma série de fatores, como a qualificação do soldador, a qualidade dos materiais utilizados, as condições de soldagem e o processo de soldagem utilizado. Para garantir a qualidade da solda, é importante que o soldador seja qualificado e que os materiais utilizados sejam de boa qualidade. As condições de soldagem também devem ser adequadas, e o processo 54 de soldagem deve ser escolhido de acordo com o tipo de material a ser soldado. A soldabilidade de aços estruturais também influencia na qualidade da solda. A soldabilidade é a capacidade de um aço de ser soldado sem apresentar defeitos e é influenciada por uma série de fatores, como a composição química do aço, sua estrutura cristalina e a espessura. Os aços estruturais mais soldáveis são os aços baixos em liga, como os aços A36 e A53. Os aços de alta liga, como os aços inoxidáveis e os aços de alta resistência, são menos soldáveis, e podem exigir a utilização de processos de soldagem especiais. Quando ocorrem, os defeitos na solda são alterações na estrutura ou nas suas propriedades mecânicas que podem comprometer a sua qualidade. Podem ser causados por uma série de fatores, como erros de soldagem, problemas com os materiais utilizados ou condições de soldagem inadequadas, sendo os mais comuns a porosidade, as trincas, a falta de penetração, a falta de fusão e a inclusão (presença de impurezas). O controle e a inspeção da solda são processos que visam garantir a qualidade das soldas. O controle da solda é realizado durante o processo de soldagem, e tem como objetivo identificar e corrigir possíveis erros de soldagem. A inspeção da solda é realizada após o processo de soldagem, e tem como objetivo identificar defeitos na solda. O controle e a inspeção da solda podem ser realizados de forma visual, ou por meio de ensaios não destrutivos (END). Os END são testes que não danificam a solda, e podem detectar uma variedade de defeitos, como porosidade, trincas e falta de penetração. Os END mais utilizados na inspeção de soldas são ultrassom, raios X, partículas magnéticas e líquido penetrante. 55 2.4 Simbologia de soldas A simbologia de soldas da American Welding Society (AWS) costuma ser a mais empregada em projetos de estruturas metálicas. As figuras 8, 9 e 10 apresentam tal simbologia, observando-se que a leitura deve ser realizada da esquerda para a direita, independentemente do sentido da seta. Figura 8 – Simbologia de soldas da AWS Fonte: Pinheiro (2005, p. 121). Figura 9 – Símbolos básicos de solda da AWS Fonte: Pinheiro (2005, p. 121). 56 Figura 10 – Símbolos complementares de solda da AWS Fonte: Pinheiro (2005, p. 121). 3. Resistência e distribuição de esforços nas soldas A resistência de uma solda é influenciada por uma série de fatores, como o tipo de solda, o processo de soldagem, a qualificação do soldador e a qualidade dos materiais utilizados. Os diferentes tipos de solda têm diferentes resistências, e é importante escolher o tipo de solda mais adequado para a aplicação. Por exemplo, a soldagem por arco elétrico é um tipo de solda muito resistente, e é muito utilizada em aplicações estruturais. A soldagem por resistência é um tipo de solda menos resistente, mas é muito utilizada em aplicações que exigem um baixo consumo de energia. O processo de soldagem também influencia a resistência da solda. Por exemplo, a soldagem por arco elétrico com eletrodo revestido é um processo de soldagem mais resistente do que a soldagem por arco elétrico com eletrodo de tungstênio. A qualidade dos materiais utilizados também influencia a resistência da solda. Os materiais utilizados devem ser de boa qualidade e devem estar em conformidade com as normas técnicas. 57 A distribuição de esforços nas soldas é importante para garantir a segurança das estruturas metálicas. As soldas devem ser distribuídas de forma uniforme e devem ser capazes de suportar os esforços que serão aplicados à estrutura. Essa distribuição pode ser calculada de acordo com as normas técnicas: ABNTNBR 8800:2016–Projeto de estruturas de aço e suas estruturas mistas de aço e concreto armado; ABNT NBR 14762:2011–Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio; ABNT NBR ISO 9606:2017 – Qualificação de pessoal para soldagem; ABNT NBR ISO 15614:2008 – Qualificação de procedimentos de soldagem para materiais metálicos. Essas normas fornecem fórmulas para o cálculo da resistência à tração, à compressão e ao cisalhamento de diferentes tipos de materiais, como aço, concreto e madeira. Também, fornecem fórmulas para o cálculo da espessura e da largura de soldas de diferentes tipos e para o cálculo da quantidade de soldas necessárias para suportar diferentes tipos de cargas. Importante salientar que a aplicação de soldas em ligações metálicas se dá tanto em elementos construtivos estruturais quanto não estruturais. Os elementos estruturais são os elementos que suportam as cargas da estrutura, como vigas, colunas, pilares, lajes, treliças etc. Já os não estruturais são os elementos que não suportam as cargas da estrutura, mas que são necessários para a sua execução, como escadas, corrimãos, portas, janelas etc. As soldas podem ser combinadas com conectores para aumentar a resistência das estruturas metálicas. Os conectores mais comuns são os parafusos, os rebites e os pinos. Tal combinação pode ser utilizada para aumentar a resistência das estruturas metálicas em uma variedade de aplicações, como edifícios, pontes, plataformas de petróleo etc. 58 Referências ANDRADE, S. Comportamento e projeto de estruturas de aço. Rio de Janeiro: Elsevier, 2016. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8800. Projeto de Estruturas de Aço e de Estruturas Mistas de Aço e Concreto de Edifícios. Rio de Janeiro: ABNT, 2008. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14762. Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio. Rio de Janeiro: ABNT, 2011. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR ISO 9606. Qualificação de pessoal para soldagem. Rio de Janeiro: ABNT, 2017. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR ISO 15614. Qualificação de procedimentos de soldagem para materiais metálicos. Rio de Janeiro: ABNT, 2008. PFEIL, W.; PFEIL; M. Estruturas de aço: dimensionamento prático. Rio de Janeiro: LTC, 2014. PINHEIRO, A. C. F. B. Estruturas Metálicas. 2. ed. São Paulo: Blücher, 2005. 59 Sumário Apresentação da disciplina Elementos estruturais em aço Objetivos 1. Introdução Referências Fundamentos do projeto de ligações Objetivos 1. Introdução 2. Ligações em estruturas metálicas 3.