aula ligações 1

LIGAÇÕES EM ESTRUTURAS DE AÇO

Com base na ABNT NBR 8800:2008

Maximiliano MaliteRoberto Martins Gonçalves

Departamento de Engenharia de Estruturas daEscola de Engenharia de São Carlos - USP

Setembro, 2010

UMA CORRENTE É TÃO FORTE QUANTOO MAIS FRACO DE SEUS ELOS

PROJETO ESTRUTURAL

- elementos (barras)

- ligações

Acidentes: projeto inadequado, patologias

REFLEXÃOREFLEXÃOAvanAvançço tecnolo tecnolóógico x qualidade das construgico x qualidade das construçções!ões!

?

Premissa básica: resposta estrutural da ligação compatívelcom o modelo de cálculo da estrutura

TÓPICOS:

- MEIOS DE LIGAÇÃO

- ESFORÇOS RESISTENTES

- ESFORÇOS SOLICITANTES

MEIOS DE LIGAÇÃO

- REBITES: empregados até a década de 50Atualmente especificados apenas em reabilitaçãoNão abordados na ABNT NBR 8800:2008

- PARAFUSOS: comuns e de alta resistência

- SOLDA ELÉTRICA

REBITES

REBITES

Aquecimento

Instalação

REBITES“Ponte canal” – Usina Dourados

Nuporanga, SP (década de 30)

Empire State Building (1929Empire State Building (1929--31)31)

-- arquitetos:arquitetos:R.H. ShreveR.H. ShreveT. LambT. LambA.L. HarnonA.L. Harnon

-- altura: 381maltura: 381m

-- 102 andares102 andares

-- tempo de construtempo de construçção:ão:1 ano e seis semanas1 ano e seis semanas

Empire State Building (1929Empire State Building (1929--31)31)Montagem da estrutura de aMontagem da estrutura de aççoo

Torre EiffelTorre EiffelMontagem da estrutura de aMontagem da estrutura de aççoo

28 Janeiro 1887

31 Março 1889

Ligação rebitada:Apresenta resistência ao deslizamento, portanto,excelente desempenho nos casos de flutuaçãoda solicitação.

Obs: o atrito entre as partes não éconsiderado no dimensionamento!

- furo totalmentepreenchido pelo rebite

- pressão de contato

Principais causas do abandono dos rebites:

- Elevado custo de instalação e inspeção(4 operários por equipe)

- Redução do custo dos parafusos de alta resistência(ligações com resistência ao deslizamento)

- Desenvolvimento da solda elétrica(menor custo das ligações de fábrica)

Ligação rebitada versus ligação soldada

PARAFUSOS

PARAFUSOSParafusos comuns: aço de baixo carbono

ASTM A307 ou ISO Classe 4.6

** Grau

307A307B

Parafusos de alta resistência1934 – primeiros experimentos1947 – criação do Research Council on Riveted and Bolted Structural Joints1951 – primeira especificação: admitiu equivalência entre rebite e PAA1960 – introdução do “método da rotação da porca” para instalação1962 – eliminada a exigência de duas arruelas, exceto em situações especiais

ASTM A325: aço de médio carbono tratado termicamenteASTM A490: aço de baixa liga tratado termicamente

ISO Classe 8.8 e ISO Classe 10.9

ISO 8.8MPafub 800= 8,0=

ub

yb

ff

PARAFUSOS ASTM A325 e ASTM A490

PARAFUSOS ASTM A325 e ASTM A490

Tipo 3 : aço com elevada resistência à corrosão atmosférica

PARAFUSOS ASTM A325 e ASTM A490

Identificação

ABNT NBR 8800:2008

TRANSMISSÃO DA FORÇA ENTRE AS PARTES CONECTADAS

Ligação por contato (bearing-type connection)

Permitida para parafusos comuns ou de alta resistência

Ligação a corte simples

TRANSMISSÃO DA FORÇA ENTRE AS PARTES CONECTADAS

Ligação por contato (bearing-type connection)

Permitida para parafusos comuns ou de alta resistência

Ligação acorte duplo

TRANSMISSÃO DA FORÇA ENTRE AS PARTES CONECTADAS

Ligação por atrito (slip-critical connection)

Permitida apenas para parafusos de alta resistência

Alta pressãode contato NF

FF

at

at

μ=<

Condição:

PROTENSÃO INICIAL DOS PARAFUSOS DE ALTA RESISTÊNCIA

Diâmetro db FTb (kN)

Polegada Milímetro ASTM A325 ASTM A490

1/2 5/8

3/4

7/8 1

1 1/8

1 1/4

1 1/2

16

20 22

24

27

30

36

53 85 91 125 142 176 173 205 227 267 250 326 317 475 460

66 106 114 156 179 221 216 257 283 334 357 408 453 595 659

70% da força de tração resistente nominal (valor mínimo)

MÉTODOS DE APERTO

- rotação da porca

- chave calibrada

- indicador direto de tração(pouco utilizado)

Devem garantir a aplicação da protensão inicial FTb

MÉTODO DA ROTAÇÃO DA PORCARotação da porca a partir da posição de pré-torque

Tração versus alongamento em parafuso ASTM A325

MÉTODO DA CHAVE CALIBRADA(ou chave manual com torquímetro)

Devem ser calibradas:- para 1,05FTb (no mínimo)

- pelo menos uma vez por dia de trabalho,para cada diâmetro de parafuso a instalar

INDICADOR DIRETO DE TRAÇÃO

Alternativa: parafusos com controle de tração

Twist-off bolt

Quando especificar parafusos de alta resistência ?Em que situações é exigida a protensão inicial ?

Quando especificar ligação por atrito ?

6.7.1.2 As ligações destinadas a transferir forças paralelasà superfície de contato das partes ligadas podem ser poratrito ou por contato.As ligações nas quais o deslizamento seja altamenteprejudicial e aquelas que estiverem sujeitas a forçasrepetitivas, com reversão de sinal, devem ser por atrito.

DIMENSÕES MÁXIMAS DE FUROS

PadrãoFuro

AlargadoFuro

AlongadoFuro pouco

AlongadoFuro muito

l

d1 d2 d1 d1

1 l2

Tabela 12

ESPAÇAMENTO MÍNIMO ENTRE FUROSE ENTRE FURO E BORDA

smin = 2,7db (de preferência 3db)

emin = 1,5db (de preferência 2db)

ESPAÇAMENTO MÁXIMO ENTRE PARAFUSOS

a) elementos pintados ou não sujeitos à corrosão

mmts 30024max ≤=

b) elementos sujeitos à corrosão atmosférica, em açosresistentes à corrosão, não pintados

mmts 18014max ≤=

Onde t é espessura da parte ligada menos espessa

DISTÂNCIA MÁXIMA DE UM PARAFUSO ÀS BORDAS

mmte 15012max ≤=

Onde t é espessura da parte ligada menos espessa

Ligação por contato

Solicitação nos parafusos

tração cisalhamento tração e cisalhamento

Ligação por contato

Solicitação nos parafusos (exemplos)

tração cisalhamento

Força resistente de cálculo - tração

a2

ubbeRdt, γ

fAF =Resistência à ruptura do aço do parafuso

1,35 (combinações normais)

Área efetiva do parafusobbe 75,0 AA =

2bb 25,0 dA π=

ÁREA EFETIVA DO PARAFUSO

p é o passo da rosca

K = 0,9743 para rosca UNC – parafusos ASTMK = 0,9382 para rosca métrica – parafusos ISO

bb

bbe AdpKAA 75,01

2

≅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

Força resistente de cálculo - cisalhamento

a2

ubbRdv, γ

4,0 fAF =

a) parafusos de alta resistência, se plano de corte passa pela rosca,e parafusos comuns em qualquer situação:

b) parafusos de alta resistência, se plano de corte não passa pela rosca:

a2

ubbRdv, γ

5,0 fAF =

(por plano de corte)

(por plano de corte)

Pressão de contato em furos

Esmagamento

Rasgamento entre furo e borda(ou rasgamento entre furos)

Ruptura da seção líquida(previsto na seção 5.2 – tração)

Pressão de contato em furos

EsmagamentoEsmagamento

Rupturada seçãolíquida

Rupturada seçãolíquida

Rasgamentofuro e borda

Rasgamentofuro e borda

Força resistente de cálculo – pressão de contato em furos

22,

4,22,1

a

ub

a

ufRdc

tfdtfF

γγ≤=

l

RasgamentoEsmagamento

F

l

l

f1

f2

0 1 2 3 40.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

esmagamento

rasg

amen

to

2,4

Força resistente – pressão de contato em furos

ubtfdF

b

fdl

F

l

l

f1

f2

Força resistente de cálculo – pressão de contato em furos

22,

4,22,1

a

ub

a

ufRdc

tfdtfF

γγ≤=

l

Quando a deformação no furo para forças de serviço não for uma limitação de projeto

1,5 3,0

Força resistente de cálculoTração e cisalhamento combinados

Rdt

SdtFF

,

,

Rdv

SdvFF

,

,

alternativa

0,12

,

,2

,

, ≤⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Rdv

Sdv

Rdt

SdtFF

FF

no plano decorte analisado

33,1,

,

,

, ≤+Rdv

Sdv

Rdt

SdtFF

FF

Ligação por atrito

Permitida apenas para parafusos de alta resistência

Alta pressãode contato

NFFF

at

at

μ=<

Condição:

Força resistente de parafusos de alta resistênciaem ligações por atrito

Deslizamento deve ser considerado como ELU:

Nas ligações com furos alargados e furos pouco alongados ou muitoalongados com alongamentos paralelos à direção da força.

Deslizamento deve ser considerado como ELS:

Nas ligações com furos-padrão e furos pouco alongados ou muitoalongados com alongamentos transversais à direção da força.

Força resistente de parafusos de alta resistênciaem ligações por atrito

Deslizamento como ELU

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

Tb

Sdt

e

sTbhRdf F

FnFCF13,1

113,1 ,, γ

μ

coef. atrito

fator de furo

número de planosde deslizamento

protensão1,20 para comb. normais

força de tração que reduzo contato entre as partes

Força resistente de parafusos de alta resistênciaem ligações por atrito

Deslizamento como ELS

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

Tb

SktsTbhRkf F

FnFCF

80,0180,0 ,

, μ

coef. atrito

fator de furo número de planosde deslizamento

protensão

força de tração que reduzo contato entre as partes

Força resistente de parafusos de alta resistênciaem ligações por atrito

μ é o coeficiente de atrito médio

0,35 para superfícies classe A (laminadas, limpas, sem pintura) eclasse C (galvanizadas a quente com rugosidade aumentada)

0,50 para superfícies classe B(jateadas sem pintura)

0,20 para superfícies galvanizadasa quente

Outros valores podem serestabelecidos com base em ensaios

Força resistente de parafusos de alta resistênciaem ligações por atrito

Ch é um fator de furo

1,00 para furos padrão

0,85 para furos alongados ou pouco alongados

0,70 para furos muito alongados

Considera a interferência do furo naárea efetiva de contato entre as partes

Efeito de alavanca (prying action)

Pode-se dispensar uma análise mais rigorosa, reduzindo Ft,Rd em:

33% se espessuras calculadas com base no momento resistente plástico (Zfy)

25% se espessuras calculadas com base no momento resistente elástico (Wfy)

Fa

aSd

Sdt FNF +=2,

Efeito de alavanca (prying action)

Efeito de alavanca (prying action)

filme

SOLDA ELÉTRICAAWS D1.1 /D1.1M:2006 – Structural welding code - steel

SOLDA ELÉTRICA EM ESTRUTURAS DE AÇO

Com metal de adição:

- Soldagem com eletrodo revestido

- Soldagem com proteção gasosa (MIG/MAG)

- Soldagem a arco submerso

Sem metal de adição:

Soldagem por eletrofusão = aquecimento + pressão

Empregada como solda de costura em tubos, fabricação de perfis soldados leves (eletrossoldados) e fixação de conectores decisalhamento pino com cabeça (stud bolts).

SOLDAGEM COM ELETRODO REVESTIDOMetal-base + eletrodo revestido + calor

SOLDAGEM COM ELETRODO REVESTIDOMetal-base + eletrodo revestido + calor

SOLDAGEM COM ELETRODO REVESTIDO

Metal-base + eletrodo revestido + calor

SOLDAGEM COM ELETRODO REVESTIDO

Eletrodos revestidos:

AWS A5.1 – eletrodos revestidos de aço-carbono para soldagem a arco

AWS A5.5 – eletrodos revestidos de baixa-liga para soldagem a arco

Classificação AWS:

E XXX X X - X

Eletrodo parasoldagem a arco

fw em ksi

posições de soldagemtipo de corrente, penetraçãoe natureza do revestimento

composição química(somente AWS A5.5)

SOLDAGEM COM ELETRODO REVESTIDO

Exemplo:

E 6010fw = 60 ksi(415 MPa)

soldagem emtodas as posições

1 – todas as posições2 – plana e horizontal3 – plana4 – plana, horizontal,

sobrecabeça evertical descendente

CC+ ou CA, grande penetração erevestimento celulósico

POSIÇÕES DE SOLDAGEM

(a) Plana (b) horizontal (c) vertical (d) sobrecabeça

SOLDAGEM COM PROTEÇÃO GASOSA

Metal base + eletrodo nú + gás + calor

SOLDAGEM COM PROTEÇÃO GASOSA

Metal base + eletrodo nú + gás + calor

SOLDAGEM COM PROTEÇÃO GASOSA

Metal base + eletrodo nú + gás + calor

SOLDAGEM COM PROTEÇÃO GASOSA

Gases (ou misturas de gases):

MIG – Metal Inert Gas (metais não ferrosos e aços inoxidáveis)

MAG – Metal Active Gas (metais ferrosos)

Mistura mais usada: CO2 (15 a 30%) + Argônio (restante)

SOLDAGEM A ARCO SUBMERSOMetal-base + eletrodo nú + fluxo granular fusível + calor

SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO

Metal-base + eletrodo nú + fluxo granular fusível + calor

Importante: compatibilidade entre metal-base e metal da solda

PRINCIPAIS TIPOS DE CORDÕES DE SOLDA

filete penetração total penetração parcial

SOLDA DE FILETE

dw é a perna do filete(dimensão nominal)

de é a garganta efetiva

L é o comprimento docordão

SOLDA DE FILETEHipótese de cálculo: cisalhamento na seção efetiva igual à resultante vetorialde todas as forças na junta que produzam tensões normaisou de cisalhamento na superfície de contato das partes ligadas

SOLDA DE FILETE: limitações

Tamanho máximo da perna do filete aolongo de bordas de partes soldadas:

dw = t para t < 6,35 mm. Caso contrário, dw = t – 1,5 mm

Tabela 10

SOLDA DE FILETEForça resistente de cálculo

Ruptura do metal da solda:

2,

60,0

w

wwRdw

fAFγ

=

Ld7,0LdA wew ≅=

35,12w =γ

Deve-se verificar também o metal-base

Solda de filete: resistência em função da orientação

)5,01(6,0 5,1

2, θ

γsenAfF

w

wwRdw +=

filete longitudinal

SOLDAS DE PENETRAÇÃOAlguns exemplos de chanfro

SOLDA DE PENETRAÇÃO TOTAL Força resistente de cálculo

Tração ou compressão normal à seção efetiva da solda:

1,

a

yMBRdw

fAF

γ= Escoamento do metal-base

1,

60,0

a

yMBRdw

fAF

γ=

Cisalhamento na seção efetiva:

Escoamento do metal-base

SOLDA DE PENETRAÇÃO PARCIAL Força resistente de cálculo

Tração ou compressão normal à seção efetiva da solda:o menor dos dois valores:

1,

a

yMBRdw

fAF

γ=

1,

60,0

w

wwRdw

fAFγ

=

Cisalhamento paralelo ao eixo da solda, na seção efetiva:

2,

60,0

w

wwRdw

fAFγ

=

1,25

1,35

Obs: deve-se verificar também o metal-base

Metal-base Metal da solda

SOLDAS DE PENETRAÇÃOÁrea efetiva da solda

Aw = comprimento x garganta efetiva

Solda de penetração total: a garganta efetiva é a menor dasespessuras das partes soldadas

Solda de penetração parcial: conforme tabela 5:

SOLDA DE PENETRAÇÃO PARCIALGarganta efetiva mínima

Tabela 9

ELEMENTOS DE LIGAÇÃOVerificar enrijecedores, chapas de ligação, cantoneiras, consolos e partes das peças ligadas afetadas pela ligação.

Exemplos

Regra geral: RdSd σσ ≤ RdSd ττ ≤

1

1

6,0

a

yRd

a

yRd

f

f

γτ

γσ

=

=

2

2

6,0

a

uRd

a

uRd

f

f

γτ

γσ

=

=

Escoamento Ruptura

o que for aplicável

ELEMENTOS DE LIGAÇÃO

Colapso por rasgamento (block shear)

Av

At Av

AtAvAt

Av

At

(a) Situações típicas nas quais deve ser verificado o estado limite

(c) Situação típica na qual Cts = 0,5

(b) Situações típicas nas quais Cts = 1,0

Colapso por rasgamento (block shear)

Colapso por rasgamento

( ) ( )ntutsgvya2

ntutsnvua2

Rdr, 60,0γ160,0

γ1 AfCAfAfCAfF +≤+=

Av

At

ruptura porcisalhamento

ruptura portração

escoamento porcisalhamento

ruptura portração

Bibliografia básica

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2008). ABNT NBR 8800:2008: Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios. Rio de Janeiro.

AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION (2005). ANSI/AISC 360-05.Specification for structural steel buildings. Chicago.

AMERICAN WELDING SOCIETY (2006). AWS D1.1/D1.1M:2006. Structural weldingcode – steel.

CUNHA, L.J.G. (1989). Solda: como, quando e por quê. Porto Alegre: D.C. Luzzato.

MALITE, M et al. (2003). Ligações em estruturas de aço. Apostila. Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2003.

SALMON, C.G.; JOHNSON, J.E.; MALHAS, F.A.(2009). Steel structures: design and behavior. Pearson Prentice Hall.