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


Tipo 3 : aço com elevada resistência à corrosão atmosférica


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


Ligação por contato (bearing-type connection)

Permitida para parafusos comuns ou de alta resistência

Ligação acorte duplo


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.


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


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


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


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,


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 REVESTIDO

Metal-base + eletrodo revestido + calor


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)


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

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.

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