Estruturas Metálicas. Módulo II. Ligações Parafusadas

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1 Estruturas Metálicas Módulo II Ligações Parafusadas 1

2 LIGAÇÕES PARAFUSADAS 1 Introdução As estruturas metálicas em geral, se observadas cuidadosamente, revelam uma característica de essencial importância sob o aspecto de sua concepção, projeto e construção, traduzida na influência do desempenho de suas ligações entre vigas e pilares no comportamento global da estrutura. Tal influência é acentuada pela possibilidade de utilização de uma grande diversidade de configurações e dispositivos para as ligações, o que potencialmente introduzirá descontinuidades geométricas aliadas às descontinuidades mecânicas oriundas do material utilizado, que podem induzir a um comportamento global não linear da estrutura. Esses fatores evidenciam a impossibilidade de se obter ligações que possam ser idealizadas perfeitamente como rígidas ou flexíveis, como convencionalmente é pressuposto na análise estrutural. Segundo essa prática, considera-se as ligações como pontos nodais, sendo que os nós que mantêm a continuidade rotacional, não modificando o ângulo relativo entre os elementos após a atuação do carregamento na estrutura, são classificados como rígidos. Neste caso, há transmissão total do momento fletor. Por outro lado, classificam como flexíveis os nós onde não se deseja nenhuma transmissão de momento fletor, com conseqüente descontinuidade rotacional entre os elementos. As considerações realizadas acima permitem observar que é necessária a inclusão de um tipo intermediário para a classificação das ligações o qual denominaremos de ligações semi-rígidas, ou seja, aquelas com comportamento intermediário ao das ligações idealizadas como rígidas ou flexíveis, quanto à continuidade rotacional e à transmissão de momentos fletores. Assim, é visível a necessidade de incorporar o estudo das ligações semi-rígidas às etapas de análise e dimensionamento das estruturas metálicas, razão pela qual nas últimas três décadas um grande número de pesquisas têm sido desenvolvidas de modo a melhor representar o comportamento de diversos tipos de ligações, na determinação efetiva tanto de seus estados limites últimos quanto na sua influência para o comportamento global das estruturas de que fazem parte. Dentro desse contexto, são apresentados modelos numéricos discretizados com elementos finitos, os quais são utilizados como ferramenta para o estudo das ligações metálicas parafusadas viga-pilar com chapa de topo, permitindo a análise do comportamento deste tipo de ligação e incluindo aspectos referentes ao comportamento da chapa de topo e dos parafusos que compõem a ligação, além de discussões em torno da metodologia de dimensionamento. 2

3 As ligações nas estruturas metálicas podem ser: - parafuso comum - parafusos de alta resistência Parafuso comum Os parafusos utilizados nas construções metálicas são normalmente o comum (ASTM A307). São dispositivos que trabalham ao cisalhamento. Os parafusos são compostos pela cabeça, corpo, arruela e porca e algumas vezes, contra porca. A arruela tem a finalidade de distribuir as tensões de aperto, mas principalmente permitir a rotação da porca quando se está dando-se o aperto. A arruela é de aço tratado termicamente e vai sempre do lado da porca. Em estruturas metálicas não se usa arruela do lado da cabeça. A resistência do parafuso é dada pela resistência das superfícies que devem ser rompidas na ação de corte-cisalhamento. Os parafusos comuns são montados sem especificação de torque de montagem e não requerem aqueles cuidados especiais. Os parafusos comuns são utilizados em ligações não estruturais ou secundárias. Parafuso alta resistência Os parafusos de alta resistência são (ASTM A-325 e o ASTM A-490). Historicamente o parafuso de alta resistência surgiu quando se estudavam ligações rebitadas com colocação de rebites a quente. Quando o aço, depois de aquecido retraia desenvolve forte aperto entre as chapas de maneira que, pela presença da força de atrito, as chapas não se deslocavam, gerando uma ligação rígida, como acontece com a ligação soldada. Assim surgiu o parafuso de alta resistência. É um parafuso que, devido ao aperto da porca, gera uma força de compressão tão alta, que pelo atrito as chapas não se movimentam entre si. São montados com protensão (torque especificado de montagem) e requerem cuidados especiais com relação às arruelas e ao acabamento das superfícies em contato das partes ligadas. Os parafusos de alta resistência são usados em ligações de mais responsabilidade. 3

4 Transmissão dos Esforços através dos Parafusos Nos parafusos comuns os esforços de tração são transmitidos diretamente através de tração no corpo do parafuso e os esforços de cisalhamento são transmitidos por cisalhamento do corpo do parafuso e o contato de sua superfície lateral com a face do furo, devido ao deslizamento entre as chapas ligadas. 4

5 Nos parafusos de alta resistência, montados com protensão, as superfícies de contato das chapas ficam firmemente pressionadas umas contra as outras através dos cones de pressão. Simplificadamente ele pode ser considerado como um cilindro de pressão, constituído por regiões circulares das chapas, altamente comprimidas, com o parafuso no centro, altamente tracionado. 5

6 Dessa forma, o mecanismo de transmissão de esforços é tal que, por questões de elasticidade e pela grande área do cilindro de pressão e pequena área do parafuso, o esforço de tração é absorvido no sistema através da diminuição de pressão do cilindro e pequeno aumento de tração no parafuso. Sendo a relação entre a área do parafuso e a área do cilindro de pressão e P o esforço externo de tração aplicado na ligação, é demonstrado que o esforço de protensão no parafuso é acrescido de (P) enquanto o cilindro de pressão tem sua pressão reduzida por uma força igual a (P). Como é um valor pequeno, o acréscimo de tração no parafuso é bem inferior à força que reduz a pressão no cilindro. Para valores das protensões de montagem dos parafusos verificarem a tabela abaixo: 6

7 Tabela : Força de Protensão Mínima em Parafusos de Alta Resistência Força de Protensão Mínima Diâmetro do Parafuso ASTM A-325 ASTM A-490 1/ / / / / / / Os esforços do cisalhamento nas ligações com parafusos de alta resistência são transmitidos ou por atrito, devido à pressão entre as partes ligadas, nas chamadas ligações por atrito, ou por contato do corpo do parafuso com as paredes do furo, com cisalhamento do corpo do parafuso, nas chamadas ligações por contato. De acordo com a NBR 8800, as duas formas de transmissão de esforço não podem ser supostas, sendo a resistência última do parafuso independente do atrito entre as partes. A protensão dada quando da montagem dos parafusos é a mesma para ligações por atrito e por contato. A diferença entre elas está no acabamento exigido para as superfícies de deslizamento das chapas e no desempenho em função do carregamento, ao longo da vida útil: a ligação por contato é indicada para carregamentos predominantemente estáticos, onde o eventual deslizamento entre as partes ligadas não afeta a vida útil dos parafusos e da própria ligação e nem o comportamento global da estrutura; a ligação por atrito é indicada para carregamentos dinâmicos e para os casos em que qualquer deslizamento entre as partes ligadas possa afetar o comportamento previsto para a estrutura. Em ambas as ligações, além dos parafusos, deverão ser verificadas o esmagamento do furo, o rasgamento entre os furos e entre o furo e a borda da chapa; tratando-se de estados limites, todas as verificações deverão ser feitas para as solicitações de cálculo, que são aquelas afetadas do coeficiente de ponderação das ações. No caso da ligação por atrito deverá ser verificada adicionalmente a resistência ao deslizamento para ações nominais nos parafusos (sem o coeficiente ) por ser este um limite de utilização, exceto que se o efeito da carga permanente for favorável esta deverá ser multiplicada 0,75. Para efeito de cálculo, as tensões atuantes de tração e cisalhamento dos parafusos são determinadas com base na área nominal do parafuso, devida à rosca.. Nas resistências de cálculo é levada em conta a redução 7

8 Furos para os parafusos A NBR 8800 prevê quatro tipos de furos para parafusos: padrão, alargado, pouco alongado e muito alongado. O tipo mais usual, é o padrão, com diâmetro igual ao diâmetro do parafuso mais 1,5mm, no caso de parafuso milimétrico, ou diâmetro do parafuso mais 1/16, no caso de parafuso em polegada. Ligação rígida viga-pilar - abaixo está discriminado o tipo de cargas atuantes na viga, nos parafusos e na solda 8

9 De maneira geral a transmissão do momento fletor é realizada, na ligação, por um binário de forças, cujo braço de alavanca Z é determinado pela distância entre o plano médio da mesa comprimida e o ponto médio da distância entre as duas linhas de parafusos mais afastadas daquele plano, na região tracionada, como esquematizado na figura abaixo. Levando-se em consideração que as linhas de parafusos mais afastadas da mesa comprimida, intuitivamente, atrairão maior esforço, o método também considera que há uma distribuição plástica das forças de tração nos parafusos, abandonando a abordagem tradicional, que considera uma distribuição triangular em direção à região comprimida, como esquematizado na figura abaixo. Braço de Alavanca (tração/compressão) Distribuição de Forças Ligação com Parafusos Tracionados Nas ligações com parafusos de alta resistência submetidos à tração, deverá ser feita a verificação de flexão da chapa aparafusada e dos parafusos levando em conta o efeito alavanca. Este efeito consiste no acréscimo de tração no parafuso e um efeito adicional de flexão na chapa de ligação devido à restrição da deformação desta chapa. Se a chapa é espessa, ela praticamente não apresenta deformação por flexão sob ação da carga, diferentemente do que acontece com chapas 9

10 menos espessas, que tendem a se deformar sob a ação daquela carga. A outra parte da ligação impede a deformação das extremidades da chapa, originando o aparecimento da força adicional Q de tração nos parafusos, que induz flexão na chapa de ligação. Ligações por contato Cisalhamento Simples é o esforço cortante em apenas uma seção transversal do parafuso ou seja: ζcis = força área do parafuso 10

11 Cisalhamento Duplo é o esforço cortante em duas áreas da seção transversal do parafuso ou seja: ζcis = força 2.área do parafuso 11

12 Tipos de Ruínas em Ligações Parafusadas A) Ruína por cisalhamento do fuste do parafuso: o parafuso rompe devido à presença de uma tensão de cisalhamento superior à resistência de cálculo. B) Ruína por rasgamento da chapa junto ao parafuso: Ocorre devido a inadequações no projeto da chapa, normalmente com dimensões insuficientes para o carregamento que a solicitará. A chapa pode ter seu furo alargado, o que aumentará a flexibilidade da estrutura, ou pode ter sua superfície rasgada na direção da tensão. C) Ruína por esmagamento/estriccionamento do fuste do parafuso: Atua de forma semelhante ao cisalhamento do parafuso, causando grande deformação no parafuso e seu conseqüente escoamento. A conseqüência para a estrutura é o grande deslocamento que ela sofrerá. D) Ruína por esmagamento da chapa: É o caso em que a chapa não chega a rasgar, porém o escoamento nela ocasionado na região do furo pode gerar deslocamento sério à estrutura. E) Ruína por tensionamento axial do fuste do parafuso: Muitas ligações são feitas utilizando do parafuso apenas a sua resistência axial. Caso a tensão gerada pela tração do parafuso seja 12

13 superior à resistência do fuste, o parafuso pode escoar e romper, levando a estrutura ao colapso. F) Ruína por dobramento do parafuso: Em parafusos longos, dependendo da solicitação, podem ocorrer momentos capazes de dobrar o parafuso. Também pode ocorrer na fabricação da estrutura, quando essa se diferencia do projeto, com erros nas dimensões, problemas de locação dentro da construção em si ou problemas na locação dos furos. G) Ruína por rasgamento global da chapa na ligação: Caso em que a tensão normal é maior que a tensão de escoamento da chapa, rompendo-a não somente na região do parafuso, mas em toda a sua secção transversal. Corrosão em Ligações Parafusadas Essa patologia ocorre devido à presença de água nas frestas. O problema é minimizado impedindo-se a entrada de umidade com argamassa no caso de estruturas revestidas, com pinturas anti-corrosivas ou com mastiques na borda da fresta 13

14 O processo de corrosão ocorre principalmente pela presença de frestas sempre que uma ligação parafusada é executada. Detalhamento Incorreto em Projeto a) Dificuldade de realização do aperto um grande problema enfrentado em obra é a presença de locais inacessíveis para o aperto dos parafusos. Em projeto, devem ser previstos espaços para facilitar a execução da montagem. Deve-se lembrar que para realizar a ligação, é preciso colocar o parafuso, colocar no outro lado a arruela e a porca e ainda ter espaço para a movimentação da chave de aperto e do braço do montador. 14

15 b) Gabarito Errado Esse problema ocorre quando o projetista detalha de maneira diferente as peças de uma mesma ligação. Esse problema pode ocorrer quando o projeto possui padrões de furação que se repetem inúmeras vezes causando uma predisposição para reprodução do estilo. Outro problema que pode trazer esse erro ao projeto é a utilização de peças que apesar de possuírem simetrias, necessitam de fixações diferentes em cada lado. Em geral essa patologia ocorre devido a não observância das diferenciações de um projeto. 15

16 Muitas vezes o projetista realiza alterações e esquece-se de repassar para todos os níveis do projeto, chegando a obra um modelo de versão anterior, ao fabricante o modelo atualizado e no escritório um modelo com alterações sendo feitas. c) Erro de Cálculo do Comprimento das Peças Erro muito comum de acontecer e que revela a falta de atenção durante o projeto. Normalmente ocorre por erros de cálculos, pois envolve ângulos, distâncias e diminuições devido ao formato retangular das peças em geral. Prejudicam o andamento da obra, pois envolvem retrabalho da peça como novos furos devido ao corte das pontas ou soldas para completar o comprimento das peças. Também podem ocorrer erros no cálculo do comprimento dos parafusos, de forma a atrasar a montagem. d) Diâmetro errado do Furo ou do Parafuso Pode acarretar basicamente dois problemas: falta de resistência nos parafusos, se esses têm áreas inferiores às calculadas; suscetibilidade de escoamento ou ruptura na região dos furos, se esses tiverem de ser ampliados por divergências no projeto. Existe portanto a necessidade de recalcular a ligação para verificar a estabilidade desejada. e) Parafuso incompatível com a Ligação Existe o risco da troca de parafusos em montagens, colocando-se parafusos comuns no lugar dos de alta resistência, especificados em projeto. Essa falha pode ser fatal e implica em cuidados no recebimento e na armazenagem dos materiais, bem como na confiabilidade do fornecedor. 16

17 f) Erros na locação de furos durante a fabricação Muitas empresas não possuem um meio automático de furação, cabendo aos operários traçarem os furos com trenas e riscadores para o executarem manualmente. A peça toda é suscetível ao erro, chegando à obra com medidas erradas que impedem a montagem ou fazem o parafuso entrar de maneira inclinada, podendo dobrar quando carregado. g) Falta de aperto do parafuso Em muitas obras, as estruturas metálicas são executadas de forma apressada, deixando para trás ligações incompletas ou mal finalizadas. Os parafusos funcionam ou por atrito ou por contato, sendo regulado o seu aperto pela NBR 8800/86. A falta de aperto pode então inutilizar uma ligação, causando-lhe flexibilidade imprevista e possibilidade de colapso por sobrecarregar outros nós de ligação. h) Duvidas Freqüentes : 01) fragilização por hidrogênio A fragilização por hidrogênio é associada a fixadores com dureza superior a 30 HRC e produzidos com aço carbono ou aço liga. Seu efeito pode causar diminuição de ductilidade, trincas ou rupturas nos fixadores, ainda que aplicados sob tensões abaixo de suas resistências ao escoamento. A absorção do hidrogênio livre do banho eletrolítico, ou de qualquer outra fonte, pode provocar a fragilidade material. Isso ocorre porque o hidrogênio atômico que migrou para os contornos dos grãos (ponto de maior concentração e tensão) gera uma pré-tensão no fixador que, ao apertado, excede sua capacidade de carga, ocorrendo, em pouco tempo sua fratura. 02) Processos que causam a hidrogenização nos parafusos A decapagem ácida e a eletrodeposição de zinco estão entre os tratamentos superficiais mais comuns que causam a hidrogenização. 03) Tratamento superficial utilizados nos parafusos 12.9, quando necessitar de uma aplicação em ambiente corrosivo Algumas das alternativas para se evitar a fragilização por hidrogênio em parafusos de alta resistência é faz-se uso de um processo de tratamento superficial que não tenha oferta de hidrogênio, isto é, 17

18 que não ocorra por banho eletrolítico e não possua processo de limpeza por decapagem ácida. Como é o caso dos organometálicos. Exemplo: Zintek, Geomet, Dacromet ou Delta Protekt. 04) Método de Aperto Os principais métodos de aperto são: Controle de Torque (zona elástica) Controle de Gradiente de Torque/Ângulo até o limite de escoamento Controle de Torque x Ângulo (zona plástica) Controle de Alongamento (zona elástica) 05) - Controle de Torque No aparafusamento por controle de torque, a Força é alcançada com grande grau de incerteza, devido as inevitáveis variações dos coeficientes de atrito na zona do contato cabeça/junta, porca/junta e rosca interna/externas. - Controle de Torque até o limite de escoamento Esse controle se baseia no principio que o Torque e o Ângulo têm uma relação linear após o pré-torque (mon de ligação). Da relação Incremento de Torque x Incremento do Ângulo obtém-se um quociente diferencial ou gradiente. A partir do momento de ligação, essa gradiente permanecerá constante até o limite de escoamento. A partir desse limite, devido a uma modificação da relação Torque x Ângulo, esse gradiente começa a diminuir significativamente, momento em que então interrompe-se o processo de aperto. - Controle de Torque x Ângulo 18

19 O controle de Torque x Ângulo é indiretamente um controle de alongamento, desta forma ficam minimizadas as variações de atrito sendo somente relacionadas ao que comumente se chama momento de ligação, devido ao necessário pré-torque. O sistema se baseia na relação que existe entre o alongamento(deformação linear) e o giro da cabeça/porca do parafuso. 06) -O que significa 8.8, 10.9 e 12.9 e quais as diferenças entre eles? Essa numeração representa a classe de resistência que o parafuso possui N/mm² mínimo de resistência a tração.8 80% da tração = limite de escoamento de 640 N/mm² N/mm² mínimo de resistência a tração.8 90% da tração = limite de escoamento de 936 N/mm² N/mm² mínimo de resistência a tração.8 90% da tração = limite de escoamento de 1098 N/mm² As diferenças são: Quanto menor for a classe de resistência do parafuso, maior será a sua ductilidade, porém menor será a sua capacidade de gerar força. Quando maior for a classe de resistência do parafuso, menor será a sua ductilidade, porém maior será a capacidade de gerar força. A dureza da porca não necessita ser maior que a do parafuso. O mais importante é a carga de prova especificada para cada classe, que, conforme a resistência do material da porca, pode exigir maior ou menor numero de filetes engajados. 19