Aula 07 Estruturas de Aço - EcivilUFES · Neste tipo de parafuso é dada uma protensão queémedidapelo torque dado na porca. A protensão faz com que as chapas a serem

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CAMPUS CATALÃODEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

Estruturas de Aço

Tópico:

Conceituação de Ligações e Dimensionamento e Verificação de Ligações Parafusadas.

1Estruturas de Aço – Prof. Wellington Andrade

O termo LIGAÇÃO se aplica aos detalhes construtivos quepromovem a união de partes da estrutura Um ponto importante na

1. Conceitos Gerais

promovem a união de partes da estrutura. Um ponto importante naetapa de projeto é a definição do sistema de ligação a ser adotadoentre os elementos que compõem a estrutura metálica como: vigas,pilares e contraventamentos.

As ligações devem ser convenientemente concebidas de modo queas mesmas se comportem em termos de rotações e deslocamentos

Estruturas de Aço – Prof. Wellington Andrade 2

p çconforme consideradas na análise da estrutura.

É fundamental que os elementos de ligação (chapas, parafusos,soldas, etc.) apresentem resistência mecânica compatível com oaço utilizado na estrutura.

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A escolha criteriosa entre um sistema de ligação soldado e/ou

1. Conceitos Gerais

A escolha criteriosa entre um sistema de ligação soldado e/ouparafusado, pode significar uma obra mais econômica e tornar amontagem mais rápida e funcional.

Se a intenção do projeto for deixar as estruturas aparentes, odesenho das ligações assume uma importância maior. O formato,posição e quantidade de parafusos, chapas de ligação e nervuras de


p ç q p , p g çenrijecimento, são alguns dos itens que podem ter um forte apeloestético se convenientemente trabalhados pelo arquiteto em conjuntocom o engenheiro calculista.

1. Conceitos Gerais

Aspectos importantes para a escolha:

condições de montagem no local da obra;

grau de dificuldade para fabricação da peça;


padronização das ligações.

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LIGAÇÕES RÍGIDAS ENGASTADAS

2. Classificação das ligações quanto à rigidez

LIGAÇÕES RÍGIDAS ENGASTADAS

LIGAÇÕES SEMI-RÍGIDAS

LIGAÇÕES FLEXÍVEIS ROTULADAS

Na realidade não existem ligações perfeitamente rígidas ou


perfeitamente flexíveis.

Agrupamos as ligações em RÍGIDAS ou FLEXÍVEIS de acordocom o seu “GRAU DE RIGIDEZ” (ou de ENGASTAMENTO)



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As LIGAÇÕES FLEXÍVEIS são caracterizadas por NÃO

2.1 Propriedades das ligações flexíveis

As LIGAÇÕES FLEXÍVEIS são caracterizadas por NÃOAPRESENTAREM RESTRIÇÃO À ROTAÇÃO, devendopermitir uma rotação relativa da ordem de 80% ou mais, daquelateoricamente esperada, se ela fosse livre a girar.

Este tipo de ligação TRANSMITE APENAS ESFORÇOCORTANTE, sendo muito utilizada, entre outros motivos, devido ao


seu MENOR CUSTO.

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Exemplo de ligação flexível com cantoneira na alma e placa de


Exemplo de ligação flexível com cantoneira na alma e placa deextremidade:


Exemplo de ligação flexível com cantoneira na alma e placa de


Exemplo de ligação flexível com cantoneira na alma e placa deextremidade:


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Exemplo de ligação flexível com apoio no flange


Exemplo de ligação flexível com apoio no flange


As LIGAÇÕES RÍGIDAS são caracterizadas por IMPEDIR A

2.2 Propriedades das ligações rígidas

As LIGAÇÕES RÍGIDAS são caracterizadas por IMPEDIR AROTAÇÃO RELATIVA ENTRE A VIGA E O PILAR. Após ocarregamento da estrutura, deverá existir na ligação, uma restriçãoigual ou superior a 90% daquela teoricamente necessária à ocorrênciade nenhuma rotação.

É MAIS ONEROSA EM COMPARAÇÃO ÀS FLEXÍVEIS,


pois TRANSMITE, ALÉM DO ESFORÇO CORTANTE,MOMENTO FLETOR. No entanto, pode tornar-se interessante doponto de vista da economia global da estrutura.

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Exemplo de ligação rígida com chapa de extremidade soldada na


Exemplo de ligação rígida com chapa de extremidade soldada naviga e parafusada no pilar:


Exemplo de ligação rígida com cantoneiras parafusadas na alma:


Exemplo de ligação rígida com cantoneiras parafusadas na alma:


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Independentemente do tipo (rígida ou flexível), as ligações podem

3 Ligações parafusadas

Independentemente do tipo (rígida ou flexível), as ligações podemser executadas utilizando-se SOLDAS ou CONECTORES. Nesteitem estudaremos a união de peças estruturais utilizando-sePARAFUSOS.

3.1 Tipos de parafusos

Parafusos comuns ASTM A307 ou A307


Parafusos comuns ASTM A307 ou A307

Apresentam baixa resistência mecânica, sendo, portanto, utilizadosem ligações de pequenas treliças, estruturas leves, peças secundáriascomo guarda-corpos, corrimãos, terças e outras pouco solicitadas.


Parafusos de alta resistência

Especificados para ligações de maior responsabilidade. Devido àcaracterística de alta resistência, as ligações geralmente têm umnúmero mais reduzido de parafusos e chapas de ligação menores


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Parafusos de alta resistênciaPor atrito A325-F e A490-F (F Friction)

Neste tipo de parafuso é dada uma protensão que é medida pelotorque dado na porca. A protensão faz com que as chapas a seremligadas tenham uma grande resistência ao deslizamento relativo.



Parafusos de alta resistênciaPor contato A325-N e A490-N (N Normal)

No parafuso tipo N (Normal) a rosca do parafuso se encontra noplano de corte da ligação. Como a área da seção transversal doparafuso na região da rosca é menor que a área do corpo, suaresistência é menor que a do parafuso tipo (X).


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Parafusos de alta resistênciaPor contato A 325-X e A490-X (X eXcluded)

No parafuso tipo X (excluded) a rosca do parafuso está fora doplano de cisalhamento do parafuso.


3.2 Dimensionamento de ligações parafusadasPara o dimensionamento das peças parafusadas deve-se verificar se a

li i l id d isolicitação na peça ultrapassa a sua capacidade resistente para osdiversos modos de ruptura, respeitados os coeficientes de segurança.Dessa forma a condição de estabilidade será dada por:

Ft,Sd ≤ Ft,Rd

F li it ã d ál l


Ft,Sd solicitação de cálculoFt,Rd resistência de cálculo dada em função do tipo de ruptura aque a peça está sujeita (corte do conector, pressão no apoio,rasgamento na chapa ou ruptura à tração do conector).

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3.2 Dimensionamento de ligações parafusadasNBR 8800/2008 – item 6.1.5.2:

Ligações sujeitas a uma força solicitante de cálculo, em qualquerdireção, inferior a 45kN, excetuando-se diagonais e montantes detravejamento de barras compostas, tirantes constituídos de barrasredondas, travessas de fechamento lateral e terças de cobertura deedifícios, devem ser dimensionadas para uma força solicitante decálculo igual a 45kN com direção e sentido da força atuante


cálculo igual a 45kN, com direção e sentido da força atuante.


Recomenda-se, a critério do responsável técnico pelo projeto, que asligações de barras tracionadas ou comprimidas sejam dimensionadasno mínimo para 50 % da força axial resistente de cálculo da barra,referente ao tipo de solicitação que comanda o dimensionamento darespectiva barra (tração ou compressão).


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Devem ser usados soldas ou parafusos de alta resistência comprotensão inicial em ligações por contato ou por atrito nos seguintescasos:

a) emendas de pilares nas estruturas de andares múltiplos com maisde 40 m de altura;


de 40 m de altura;

b) ligações de vigas com pilares e com quaisquer outras vigas dasquais depende o sistema de contraventamento, nas estruturas commais de 40 m de altura;


c) ligações e emendas de treliças de cobertura, ligações de treliçascom pilares, emendas de pilares, ligações de contraventamentos depilares, ligações de mãos francesas ou mísulas usadas para reforço depórticos e ligações de peças-suportes de pontes rolantes, nasestruturas com pontes rolantes de capacidade superior a 50 kN;


d) ligações de peças sujeitas a ações que produzam impactos outensões reversas.

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Para os casos não citados em 6.1.11.1, as ligações podem ser feitascom parafusos de alta resistência sem protensão inicial ou comparafusos comuns.


3.2 Dimensionamento de ligações parafusadasPara o dimensionamento de ligações parafusadas precisamosd i i ê i ( ideterminar a menor resistência entre a peça (na região com e semfuros) e:

a) o cisalhamento no corpo do parafuso;b) a pressão de contato nos furos (esmagamento e rasgamento).

Para os parafusos do tipo (F) devemos verificar a resistência ao


Para os parafusos do tipo (F) devemos verificar a resistência aodeslizamento e, caso essa resistência seja superada, verificar os itens(a) e (b) como se fosse parafuso do tipo (N).

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3.2.1 Tipos de ruptura em ligações com conectores

RRuptura por

esmagamentoRuptura por corte do fuste do conector

esmagamento da chapa na superfície de

apoio do fuste do conector

Ruptura por rasgamento da Ruptura por

ã d


chapa entre o furo e a borda ou entre dois

furos consecutivos

tração da chapa na

seção transversal

líquida

3.2.2 Dimensionamento de parafusos TraçãoNBR8800/2008 – item 6.3.3.1.

A força de tração resistente de cálculode um parafuso tracionado ou de umabarra redonda rosqueada tracionada édada por :

fub é a resistência à ruptura do material do parafuso ou barra redondad à t ã ifi d A A


rosqueada à tração, especificada no Anexo A;Abe é a área efetiva, definida em 6.3.2.2.

No caso de barras redondas rosqueadas, a força resistente decálculo não deve ser superior a Ab f y / γa1.

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3.2.3 Área efetiva do parafuso ou barra redondarosqueada, para tração (NBR8800/2008 – item6 3 2 2)6.3.2.2)

Ab = 0,25*π*db2

Abe = 0,75*Ab


Abe é a área resistente ou área efetiva de um parafuso ou de uma barraredonda rosqueada, para tração;

Ab é a área bruta, baseada no diâmetro do parafuso ou barra redondarosqueada db.

3.2.4 Dimensionamento de parafusos aocisalhamento NBR8800/2008 – item 6.3.3.2.

A força de cisalhamento resistente de cálculo de UM parafuso oubarra redonda rosqueada é, POR PLANO DE CORTE, igual a:

Para parafusos de alta resistência e barrasredondas rosqueadas, quando o plano decorte passa pela rosca e para parafusoscomuns em qualquer situação:


comuns em qualquer situação:

Para parafusos de alta resistência e barrasredondas rosqueadas, quando o plano decorte não passa pela rosca:

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Onde:

fub é a resistência à ruptura do material do parafuso ou barraredonda rosqueada à tração, especificada no Anexo A da NBR8800/2008;

Ab é a área bruta, baseada no diâmetro do parafuso ou barra


redonda rosqueada db, dada no item 6.3.2.2 da NBR 8800/2008.


Os coeficientes γa2 são fornecidos no item 4.8.2 da NBR 8800/2008(para o ELU)


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No caso de cisalhamento duplo multiplicar Ae por 2


3.2.5 Dimensionamento da pressão de contato emfuros NBR8800/2008 – item 6.3.3.3

A força resistente de cálculo à pressão de contato na parede de umfuro, Fc,Rd, já levando em conta o rasgamento entre dois furosconsecutivos ou entre um furo extremo e a borda, é dada por (deveser atendido também o exposto no item 6.3.3.2 da NBR 8800/2008):

No caso de furos-padrão, furos alargados, furos pouco alongados eml di ã f it l d di ã d f


qualquer direção e furos muito alongados na direção da força:

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3.2.5 Dimensionamento da pressão de contato emfuros NBR8800/2008 – item 6.3.3.3

Quando a deformação no furo para forçasde serviço for uma limitação de projeto.

Quando a deformação no furo para forçasde serviço não for uma limitação deprojeto.

No caso de furos muitos alongados nadireção perpendicular à da força:


ç p p ç

lf é a distância, na direção da força, entre a borda do furo e a borda do furo adjacente ou aborda livre;

db é o diâmetro do parafuso;t é a espessura da parte ligada;fu é a resistência à ruptura do aço da parede do furo.

3.2.6 Dimensionamento de parafusos em ligaçõespor atrito NBR8800/2008 – item 6.3.4

O DIMENSIONAMENTO AO CISALHAMENTO É DIFERENCIADO.

CONDIÇÃO BÁSICANão deve ocorrer

deslizamento entre os componentes da

ligação

Estruturas de Aço – Prof. Wellington Andrade

A força cortante no parafuso deve ser menor que a resistência ao deslizamento.Caso ocorra o deslizamento o parafuso irá se comportar como um parafuso do tipo(N) devendo então ser verificada a resistências ao cisalhamento conforme abordadoem 3.2.4.

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O j d li õ i f d l i ê i iO projeto de ligações por atrito com parafusos de alta resistência precisalevar em conta se o deslizamento é um estado-limite de serviço ou um estado-limite último.

Nas ligações com furos alargados e furos pouco alongados ou muitoalongados com alongamentos paralelos à direção da força aplicada, odeslizamento deve ser considerado estado-limite último (ver NBR 8800/2008 -item 6 3 4 3)


item 6.3.4.3).

Nas ligações com furos-padrão e furos pouco alongados ou muito alongadoscom alongamentos transversais à direção da força aplicada, o deslizamentodeve ser considerado estado-limite de serviço (ver NBR 8800/2008 - item6.3.4.4).


N i õ d li é ESTADO LIMITENas situações em que o deslizamento é um ESTADO-LIMITEÚLTIMO, a força resistente de cálculo de um parafuso aodeslizamento, Ff,Rd, deve ser igual ou superior à força cortantesolicitante de cálculo no parafuso, calculada com as combinaçõesúltimas de ações conforme NBR 8800/2008 – item 4.7.7.2.


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FTb é a força de protensão mínima por parafuso, conforme NBR8800/2008 – item 6.7.4.1;

Ft,Sd é a força de tração solicitante de cálculo no parafuso que reduz aforça de protensão, calculada com as combinações últimas de açõesconforme NBR 8800/2008 – item 4.7.7.2;ηs é o número de planos de deslizamento;


γe é o coeficiente de ponderação da resistência, igual a 1,20 paracombinações normais, especiais ou de construção e 1,00 para combinaçõesexcepcionais;


é fi i édi d i d fi id iμ é o coeficiente médio de atrito, definido a seguir:0,35 para superfícies classe A, isto é, superfícies laminadas, limpas,

isentas de óleos ou graxas, sem pintura, e para superfícies classe C, isto é, superfícies galvanizadas a quente com rugosidade aumentada manualmente por meio de escova de aço (não é permitido o uso de máquinas);

0,50 para superfícies classe B, isto é, superfícies jateadas sem pintura;


0,20 para superfícies galvanizadas a quente;Ch é um fator de furo, igual a:

1,00 para furos-padrão;0,85 para furos alargados ou pouco alongados;0,70 para furos muito alongados.

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N i õ d li é ESTADO LIMITENas situações em que o deslizamento é um ESTADO-LIMITEDE SERVIÇO (ver NBR 8800/2008 – item 6.3.4.2), a forçaresistente nominal de um parafuso ao deslizamento, Ff,Rk, deve serigual ou superior à força cortante solicitante característica, calculadacom as combinações de ações raras de serviço, conforme NBR8800/2008 – item 4.7.7.3.4, ou, simplificadamente, tomada igual a70% da força cortante solicitante de cálculo


70% da força cortante solicitante de cálculo.


Ft,Sk é a força de tração solicitante característica no parafuso quereduz a força de protensão, calculada com as combinações de açõesraras de serviço, conforme NBR 8800/2008 – item 4.7.7.3.4, ou,simplificadamente, tomada igual a 70% da força de tração solicitantede cálculo. Todas as considerações feitas anteriormente, relacionadasa acabamento de superfície e calços, permanecem válidas.


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3.2.6 Dimensionamento de parafusos a tração ecisalhamento combinados NBR8800/2008 – item6 3 3 46.3.3.4

Quando ocorrer a ação simultânea de tração e cisalhamento, deveser atendida a seguinte equação de interação:


Ft,Sd é a força de tração solicitante de cálculo por parafuso ou barra redonda rosqueada;Fv,Sd é a força de cisalhamento solicitante de cálculo no plano considerado do parafuso

ou barra redonda rosqueada;Ft,Rd e Fv,Rd são dados respectivamente em 6.3.3.1 e 6.3.3.2.

3.2.6 Efeito de alavanca NBR8800/2008 – item6.3.5

6.3.5.1 Na determinação da força de tração solicitante de cálculo emparafusos e barras redondas rosqueadas, deve-se levar em conta oefeito de alavanca, produzido pelas deformações das partes ligadas(Figura 17).

6.3.5.2 Caso não se façam análises mais rigorosas, pode-se considerar


6.3.5.2 Caso não se façam análises mais rigorosas, pode se considerarque o efeito de alavanca tenha sido adequadamente considerado sefor atendida pelo menos uma das exigências a seguir:

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a) na determinação das espessuras das chapas das partes ligadas (t1 et2 – ver Figura 17), for empregado o momento resistente plástico (Zfy)e a força de tração resistente de cálculo dos parafusos ou barrasredondas rosqueadas for reduzida em 33 %;

b) na determinação das espessuras das chapas das partes ligadas (t1 e


) ç p p p g ( 1t2 – ver Figura 17), for empregado o momento resistente elástico(Wfy) e a força de tração resistente de cálculo dos parafusos ou barrasredondas rosqueadas for reduzida em 25 %.


Adicionalmente, a dimensão a não pode ser inferior à dimensão b(Figura 17).

Ao se determinarem as espessuras das chapas das partes ligadas,deve-se tomar a força atuante em um parafuso e a sua largura deinfluência na chapa, p, obtida conforme indicado na (Figura17).


p , p, ( g )

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4. Exercício de AplicaçãoDuas chapas de 204 mm x 12,7 mm em aço ASTM A36 são emendadascom chapas laterais de 9 5 mm e parafusos comuns (A307)Φ22 mm Ascom chapas laterais de 9,5 mm e parafusos comuns (A307)Φ22 mm. Aschapas estão sujeitas às forças Ng = 200 kN, oriunda de carga permanente, eNq = 100 kN, oriunda de carga variável decorrente do uso da estrutura.Verificar a segurança da emenda no estado limite último em combinaçãonormal de ações.


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4. Exercício de Aplicação


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