aula 3 - ligacoes. introducao

FE – UEM/DECi - Eng.ª Civil Construções Metálicas e de Madeira

F. Ricardo & J. Pindula AULA 3 - Ligacoes. Introducao - i/12

ÍNDICE

3.1. GENERALIDADES ........................................................................................................ 1

3.2. TIPOS DE LIGAÇÕES ................................................................................................... 2

3.2.1. REBITAGEM ............................................................................................................... 2

3.2.2. APARAFUSAMENTO .................................................................................................... 3

3.2.3. SOLDADURA .............................................................................................................. 4

3.3. CONCEPÇÃO DAS LIGAÇÕES .................................................................................... 5

3.3.1. CONDIÇÕES DE EXECUÇÃO ......................................................................................... 5

3.3.2. TIPO DE ELEMENTOS A LIGAR ..................................................................................... 5

3.3.3. ORDEM DE GRANDEZA E NATUREZA DOS ESFORÇOS EM JOGO ....................................... 6

3.3.4. RIGIDEZ PRETENDIDA PARA A LIGAÇÃO ...................................................................... 6

3.3.5. RAPIDEZ E FACILIDADE DE EXECUÇÃO PRETENDIDAS .................................................. 7

3.4. ESFORÇOS APLICADOS .............................................................................................. 8

3.5. HIPÓTESES DE CALCULO ........................................................................................... 9

3.6. REGULAMENTO DE ESTRUTURAS DE AÇO PARA EDIFÍCIOS – (REAE) ............. 9

3.6.1. DISPOSIÇÕES DE PROJECTO – ARTIGOS 12º A 17º. ....................................................... 11


F. Ricardo & J. Pindula AULA 3 - Ligacoes. Introducao - 1/12

3.1. GENERALIDADES

As estruturas metálicas são constituídas por elementos estruturais, os quais constituem “sistemas

estruturais” por introdução de “Ligações”, conforme se exemplifica na figura 1. Além disso, as

próprias peças metálicas, conforme fornecidas pelas siderurgias (em perfis ou chapas) têm

dimensões limitadas. Torna-se necessário, por conseguinte, interligar troços de perfis ou chapas

para obter elementos estruturais de maiores dimensões ou, nas dimensões pretendidas.

Figura 1 – Exemplos de ligações

Um outro aspecto que obriga à execução de ligações é o facto das construções em estrutura

metálica serem constituídas por diferentes tipos de elementos devendo cada um destes elementos

estar convenientemente unido às peças a si vizinhas, de modo a que possa cumprir o objectivo

primário da concepção geral de uma estrutura: a segurança com funcionalidade.

Isto implica a utilização de distintos tipos de uniões, sendo os principais tipos:

• Os que se introduzem quando tem lugar uma mudança de direcção, por exemplo, as

uniões viga com pilar, viga com viga e uniões entre barras adjacentes;

• Os que se requerem para assegurar tamanhos adequados para efeitos de transporte e

montagem, os pilares, por exemplo, podem-se emendar por cada três pisos;

• Os que tem lugar quando se produz uma alteração de componente, o que inclui a união da

estrutura de aço com outras partes do edifício, como podem ser bases de pilar, uniões a

núcleos de betão armado e uniões com paredes, lajes e coberturas.



A concepção das ligações no projecto de estruturas metálicas é dos aspectos mais relevantes para

a economia e rapidez de execução da obra. É no entanto dos aspectos mais complexos a nível do

ensino da construção metálica, na medida em que requer bastante experiencia de pormenorização

com vista a atingir uma ligação com bom funcionamento, simples de executar e económica.

3.2. TIPOS DE LIGAÇÕES

Na construção metálica as ligações entre os elementos estruturais são geralmente feitas por meio

de rebitagem, aparafusamento ou soldadura.

Figura 2 – Ligacoes Aparafusada, Soldada e rebitada

As ligações aparafusadas e as ligações soldadas representam no entanto a grande maioria das

ligações correntemente utilizadas.

3.2.1. Rebitagem

Por muitos anos, a rebitagem foi o único método de ligação de estruturas metálicas.

Actualmente, devido à facilidade de execução e economia da soldadura e utilização de parafusos

de alta resistência, o uso de rebites reduziu significativamente ao ponto de praticamente já não

serem utilizados. Contudo, os regulamentos ainda reconhecem a sua aplicação para a maioria das

estruturas. Os rebites utilizados na construção são usualmente feitos de aço macio que não se

torna quebradiço quando aquecido ou martelado com uma pistola de rebitagem. Os rebites

precisam usualmente de um grupo de 3 a 4 operários para serem instalados. Este excesso de

mão-de-obra, associado ao ruído produzido durante a instalação contribuíram consideravelmente

para o desaparecimento dos rebites nas construções modernas. Embora o material dos parafusos



seja mais caro que o aço dos rebites, as vantagens de execução de ligações aparafusadas

continuam a superar de longe as da utilização de rebites.

3.2.2. Aparafusamento

O Aparafusamento de estruturas metálicas é um método que confere rapidez na execução de

obras (montagem “in situ”). Requer mão-de-obra menos laborada que a rebitagem e a soldadura

e consequentemente, leva uma distinta vantagem sobre os outros métodos de ligação. As juntas

obtidas usando parafusos de alta resistência são superiores em performance e economia que as

juntas rebitadas, facto que tornou o aparafusamento como o método principal de ligação de

elementos estruturais de aço, em obra.

Existem dois tipos de parafusos utilizados na ligação de elementos de estruturas de aço: o

primeiro tipo, parafusos comuns ou ordinários, é utilizado em estruturas ligeiras sujeitas a

cargas estáticas ou para ligação de elementos secundários. São feitos a partir de aços com baixo

teor de carbono. Este é o tipo de ligação mais barato. O segundo tipo, parafusos de alta

resistência, são feitos de aços com teores médios de carbono, laminados a quente e têm

resistências à tracção maiores que as dos parafusos ordinários.

A ligação aparafusada pode ser uma ligação aparafusada corrente ou ligação aparafusada pré-

esforçada. Na ligação aparafusada corrente não se tira partido da resistência por atrito que se

consegue mobilizar entre as faces em contacto das superfícies a ligas. Na segunda, o parafuso é

pré-esforçado, em geral por controlo do momento de aperto utilizando por exemplo uma chave

dinamométrica.

Os parafusos pré-esforçados exercem uma força de compressão entre as chapas unidas. Esta

relação dá lugar a uma elevada resistência por atrito, que permite a transmissão de carga entre as

peças unidas. Quando a carga aplicada (figura 23) excede a força de atrito que se desenvolve

entre as chapas, estas deslizarão uma em relação a outra e o parafuso actuará como uma ligação

resistente por corte.

Figura 3 – Plano de corte de chapas em pre-esforco



As vantagens principais de ligações pré-esforçadas são:

• A sua maior rigidez;

• A sua capacidade de resistir aos esforços alternativos periódicos;

• O seu comportamento sob solicitação de fadiga também é melhor do que das ligações

aparafusadas resistentes por corte.

3.2.3. Soldadura

Soldadura é a união de duas peças de metal pela aplicação de calor ou através de fusão. As

superfícies dos elementos são aquecidas, permitindo a fusão conjunta das partes, usualmente

com a adição de um metal de união.

A ligação por soldadura é preferencialmente o tipo de ligação a adoptar no fabrico em oficina de

estruturas metálicas, devido às vantagens de rigidez, de simplicidade, de aspecto estético da

ligação e de rapidez de execução.

As soldaduras podem utilizar-se para ligação topo a topo de peças metálicas, nomeadamente em

chapas e perfis, ou em ligações por cordões, nomeadamente ligações ao corte. Assim, existem

vários tipos de cordões de soldadura, dentre os quais se destacam:

- Cordões de topo: Cordões que unem peças colocadas topo a topo, no prolongamento

umas das outras, tendo ou não os eixos coincidentes.

- Cordões de ângulo: Cordões que ligam as peças colocadas com sobreposição ou que se

intersectam;



- Soldadura por entalhe: Os elementos são ligados por cordões executados na

periferia de entalhes ou furos (deve ser usada somente em casos especiais).

3.3. CONCEPÇÃO DAS LIGAÇÕES

A opção por um ou outro tipo de ligação depende essencialmente:

- das condições de execução;

- do tipo de elementos a ligar;

- da ordem de grandeza e natureza dos esforços em jogo;

- da rigidez pretendida para a ligação e;

- da rapidez e facilidade de execução pretendidas.

3.3.1. Condições de execução

As condições de execução relacionam-se em primeiro lugar com o local onde é executada a

ligação (na oficina ou na obra). Preferencialmente executam-se ligações soldadas em oficinas e

aparafusadas em obra, pois a soldadura em obra acarreta maiores riscos de má execução e maior

dificuldade no controlo de qualidade. O espaço disponível, a temperatura (temperaturas de peças

a soldar abaixo de 5º C não são admissíveis em aços de alta resistência) e a possibilidade de

soldar a partir de ambas as faces das chapas são por exemplo factores que devem ser

considerados na opção por execução duma junta soldada em obra.

Nas estruturas especiais, nomeadamente em pontes, torna-se inevitável executar soldaduras

importantes em obra – por exemplo, juntas de topo entre segmentos dum tabuleiro. Neste caso é

necessário prever, em obra, meios de controlo de qualidade apropriados.

3.3.2. Tipo de elementos a ligar

O tipo de elementos a ligar condiciona por vezes a opcao por ligações soldadas ou aparafusadas.

Por exemplo, em estruturas tubulares utilizam-se quase exclusivamente juntas soldadas conforme

se exemplifica na figura 4. Em ligações aparafusadas em nós de pórticos, mesmo que



correspondam a juntas de montagem em obra, utilizam-se normalmente chapas soldadas em

oficina que permitam ou conferir uma maior resistência ao nó e/ou permitir a ligação por

aparafusamento entre elementos estruturais.

Figura 4 – ligação soldada em estrutura tubular

3.3.3. Ordem de grandeza e natureza dos esforços em jogo

Os esforços estáticos ou dinâmicos, esforços de tracção e/ou de corte, condicionam também a

execução da ligação. As juntas soldadas topo a topo com penetração completa apresentam uma

resistência igual ou superior à dos elementos a ligar. As soldaduras com penetração parcial já

devem ser verificadas como cordões de ângulo. Os problemas de fadiga e rotura frágil ou de

“rotura lamelar”, são problemas típicos em ligações soldadas. A rotura lamelar é normalmente

mais crítica em chapas espessas do que em chapas finas na medida em que tem origem em

tensões de tracção segundo a direcção normal ao plano da chapa. Se a soldadura for executada

em condições de deformação restringida das chapas podem gerar-se tensões residuais que

provoquem roturas lamelares.

3.3.4. Rigidez pretendida para a ligação

A rigidez pretendida para a ligação é outro dos factores que influencia fortemente a sua

concepção. A ligação com parafusos pré-esforçados ou com rebites de anel é consideravelmente

mais rígida do que a ligação aparafusada corrente. A deformabilidade das ligações com

parafusos pré-esforçados não ajustados em relação à ligação com parafusos pré-esforçados

ajustados é no entanto consideravelmente maior a partir do nível de carga correspondente ao

escorregamento, isto é, quando se vence a resistência de atrito ao escorregamento entre chapas.

Face ao exposto, recomenda-se em geral a utilização de ligações aparafusadas pré-esforçadas ou

soldadas sempre que nos estados limites de utilização se pretenda reduzir a deformação da



estrutura. Além disso, em situações de acções dinâmicas em que se pretende melhorar a

resistência à fadiga da ligação, devem adoptar-se ligações aparafusadas pré-esforçadas.

Os estados de tensão nas ligações são de tal forma complexos e afectados pelas condições de

execução que é utópico pensar, por mais sofisticados que sejam os meios de cálculo, que se

consegue prever as tensões reais que solicitam cada um dos elementos de ligação. É preferível e

mais seguro adoptar um modelo de cálculo baseado nos princípios da teoria da plasticidade, em

que se garanta um limite inferior para a carga de colapso em estado limite ultimo baseado num

determinado mecanismo de rotura. Por outro lado interessa conceber uma ligação com uma

ductilidade suficiente para absorver deformações impostas, por exemplo, por acções de

assentamento de apoio, acções térmicas, acções acidentais e acções sísmicas. Não esquecer ainda

deformações impostas durante a fase de montagem que podem provocar esforços não previstos

no dimensionamento.

3.3.5. Rapidez e facilidade de execução pretendidas

Na concepção das ligações será de ter em consideração a facilidade de fabrico e sua montagem,

devendo ter-se em atenção a seguinte conduta:

- Os espaçamentos necessários para uma montagem segura;

- Os espaçamentos necessários para apertar os parafusos;

- As necessidades de acesso para executar as soldaduras;

- Os requisitos dos processos de soldadura;

- Os efeitos das tolerâncias angulares e lineares no ajustamento de peças.

Deve ainda ter-se em atenção os requisitos derivados das necessidades de:

- Inspecções posteriores;

- Tratamento de superfícies;

- Manutenção.

Ainda:

- É necessário evitar ou eliminar material endurecido nas zonas em que o

dimensionamento se baseia na análise plástica, quando predominarem as acções de fadiga

e ainda nas acções sísmicas.



- Qualquer desempeno ou enformação necessários devem ser executadas utilizando

métodos que não reduzam as propriedades do material para além dos limites

especificados.

- Os perfis que tenham sido galvanizados devem ser novamente desempenados ou

enformados, caso necessário, de modo a satisfazer os limites de tolerância especificados.

- As superfícies e bordos não devem ter defeitos susceptíveis de prejudicar a eficácia do

sistema de protecção de superfícies.

- Os critérios de planeza (desempeno) a exigir às superfícies em contacto, para transmitir

as forças de cálculo, devem ser especificados.

- Deve especificar-se no Caderno de Encargos qualquer tratamento especial que seja

necessário em aberturas recortadas.

3.4. ESFORÇOS APLICADOS

A determinação dos esforços aplicados às ligações no Estado Limite Último deve ser feita

através da análise global da estrutura em que as ligações e os elementos estruturais estão

relacionados com a resistência, rigidez e capacidade de deformação (ductilidade).

Estes esforços aplicados devem prever:

- Os efeitos de segunda ordem, tendo em conta a influência da deformação da estrutura;

- Os efeitos de imperfeições existentes, incluindo tensões residuais e imperfeições

geométricas, tais como falta de verticalidade, falta de rectilinearidade e as pequenas

excentricidades existentes nas ligações reais. Podem utilizar-se imperfeições geométricas

equivalentes a valores que traduzem os possíveis efeitos de todos os tipos de

imperfeição.

Estes efeitos devem ser tomados em consideração nos seguintes casos:

- Análise global;

- Análise dos sistemas de contraventamento;

- Dimensionamento dos elementos.

Os esforços nas ligações devem ser colocados para resistirem a momentos, esforços cortantes

(transversos) e esforços normais desde que estes estejam em equilíbrio com:



- A carga aplicada;

- As deformações originadas pela distribuição de esforços supostamente deverão ser

inferiores às da capacidade de deformação do conjunto das ligações e elementos unidos.

3.5. HIPÓTESES DE CALCULO

As ligações devem ser dimensionadas recorrendo à distribuição de esforços que pareça mais

racional, desde que:

- Os esforços admitidos estejam em equilíbrio com os esforços aplicados;

- Cada componente da ligação tenha capacidade para resistir às forças ou tensões

admitidos na análise;

- As deformações que essa distribuição implica se situem dentro da capacidade de

deformação das peças de ligação, ou soldaduras, e das peças ligadas;

- As deformações admitidas para qualquer modelo de cálculo, baseado na existência de

charneiras plásticas, correspondam a rotações de corpos rígidos (e deformações no seu

próprio plano) que sejam fisicamente possíveis.

Além disso, a distribuição admitida para os esforços deve ser realista no que se refere às

rigidezes relativas das peças que compõem a junta. Os esforços procurarão seguir a trajectória de

maior rigidez. Esta trajectória deve ser claramente identificada e permanecer a mesma durante

todo o processo de dimensionamento da ligação.

As tensões residuais e as tensões devidas ao aperto dos parafusos e rebites, e às tolerâncias

correntes para os ajustamentos das peças, não precisam, normalmente, de ser consideradas no

dimensionamento.

3.6. REGULAMENTO DE ESTRUTURAS DE AÇO PARA EDIFÍCIOS – (REAE)

O objectivo deste regulamento visa estabelecer regras a observar no projecto e na execução de

estruturas de aço para edifícios e obras análogas, cujos elementos sejam de aço laminado

a quente.

Os projectos de estruturas de aço devem ser elaborados por técnicos com formação

adequada à natureza e importância das obras e para o efeito habilitados pela legislação em vigor.



Os projectos devem conter, devidamente organizadas, as peças escritas e desenhadas,

necessárias para a justificação do dimensionamento e respectiva verificação, bem como

para a execução da obra. Estes projectos devem ser submetidos à verificação e aprovação das

entidades competentes, de acordo com a legislação em vigor.

Uma estrutura metálica é constituída por diferentes elementos estruturais que se encontram

ligados entre si pelas mais variadas formas. As ligações devem pois garantir a transferência de

esforços considerados no projecto estrutural como um todo, bem como garantir a devida

resistência nas ligações ao exterior.

De acordo com este regulamento, os valores característicos das propriedades mecânicas do aço a

considerar são as apresentadas na tabela abaixo, de acordo com a norma Portuguesa NP 1729

(1981).

Podem ser utilizados aços de qualidade diferente, desde que possuam características mecânicas

não inferiores às do aço Fe360. As restantes propriedades mecânicas do aço, à temperatura

ambiente, são consideradas constantes, como por exemplo, o módulo de elasticidade igual a

E=2,06x105 [MPa], o coeficiente de Poisson igual a ʋ = 0,3 e o resultante módulo de rigidez

transversal igual a G = 0,8x105 [MPa].

Os elementos de ligação mecânicos (rebites, parafusos, porcas, anilhas, metal de adição, etc.)

devem satisfazer as especificações das respectivas normas. Os valores característicos das

propriedades mecânicas a adoptar para o aço devem obedecer à mesma legislação. No caso de

adição de metal para o processo de soldadura, as propriedades do aditivo não deverão ser

inferiores às dos materiais de base, tendo em consideração os pormenores metalúrgicos

envolvidos no processo.



3.6.1. Disposições de projecto – artigos 12º a 17º.

Não devem ser utilizados elementos estruturais de espessura inferior a 4 mm, devendo os

elementos directamente ou expostos em condições especiais de utilização (ambientes

corrosivos), adoptar valores superiores ao indicado, não deverá ser inferior que 7 mm.

De acordo com o artigo 13º, os elementos principais das estruturas planas devem, quanto

possível, ter secções simétricas em relação ao plano médio dessas estruturas. Nas estruturas

trianguladas deve ainda procurar-se que os elementos concorrentes numa ligação fiquem

dispostos de modo que os seus eixos concorram num ponto (nó), conforme a figura 5.

Figura 5 - Os eixos das peças devem cruzar-se num ponto. Exemplo: Nó de uma treliça.

No caso em que haja excentricidade nas intersecções, deve ter-se em conta essa excentricidade,

excepto se tratar de tipos específicos de estruturas em que se demonstre que tal não é necessário.

No caso de ligações aparafusadas de cantoneiras e secções em T, com pelo menos 2 parafusos

por ligação, os alinhamentos dos parafusos podem ser considerados como eixos centrais para

efeito da intersecção por nós.

Nos elementos estruturais devem ser evitadas as variações bruscas da área e forma da secção

recta ou enfraquecimentos localizados.

As ligações entre elementos das estruturas podem ser executadas por rebitagem, aparafusamento

ou soldadura. Numa ligação deve evitar-se, para a transmissão dos esforços, a utilização da

soldadura em conjunção com rebitagem ou com aparafusamento.

Devem ser previstos contraventamentos entre os elementos principais das estruturas, de modo a

garantir o seu funcionamento conjunto.

Devem ser evitadas as disposições construtivas que dificultem a conservação das estruturas,

nomeadamente as que dificultem a aplicação de pintura ou favoreçam a retenção de água.

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