Ligaçoes em Estruturas de Aço ABNT NBR 8800 2024 - Guia Completo

LIGAÇÕES EM ESTRUTURAS DE AÇO Com base na ABNT NBR 88002024 Maximiliano Malite Departamento de Engenharia de Estruturas da Escola de Engenharia de São Carlos USP Setembro 2024 UMA CORRENTE É TÃO FORTE QUANTO O MAIS FRACO DE SEUS ELOS PROJETO ESTRUTURAL elementos barras ligações Acidentes projeto inadequado patologias Premissa básica resposta estrutural da ligação compatível com o modelo de cálculo da estrutura TÓPICOS MEIOS DE LIGAÇÃO ESFORÇOS RESISTENTES ESFORÇOS SOLICITANTES MEIOS DE LIGAÇÃO REBITES empregados até a década de 50 Atualmente especificados apenas em reabilitação Não abordados na ABNT NBR 88002024 PARAFUSOS comuns e de alta resistência SOLDA ELÉTRICA REBITES REBITES Aquecimento Instalação Empire State Building 192931 arquitetos RH Shreve T Lamb AL Harnon altura 381m 102 andares tempo de construção 1 ano e seis semanas Empire State Building 192931 Montagem da estrutura de aço Torre Eiffel Montagem da estrutura de aço 28 Janeiro 1887 31 Março 1889 Ligação rebitada Apresenta resistência ao deslizamento portanto bom desempenho nos casos de flutuação da solicitação Obs o atrito entre as partes não é considerado no dimensionamento furo totalmente preenchido pelo rebite pressão de contato Principais causas do abandono dos rebites Elevado custo de instalação e inspeção quatro 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 PARAFUSOS Parafusos comuns aço de baixo carbono ASTM A307 ou ISO Classe 46 Grau 307A 307B Parafusos de alta resistência 1934 primeiros experimentos 1947 criação do Research Council on Riveted and Bolted Structural Joints 1951 primeira especificação admitiu equivalência entre rebite e PAA 1960 introdução do método da rotação da porca para instalação 1962 eliminada a exigência de duas arruelas exceto em situações especiais ASTM A325 aço de médio carbono tratado termicamente ASTM A490 aço de baixa liga tratado termicamente ISO Classe 88 e ISO Classe 109 ISO 88 MPa fub 800 80 ub yb f f PARAFUSOS ASTM A325 e ASTM A490 Table C1 Nominal Bolt Diameter in Bolt Dimensions in Heavy Hex Structural Bolts Nut Dimensions in Heavy Hex Nuts Width across flats F Height H Thread Length Width across flats W Height H 12 78 516 1 78 3164 58 1116 2564 114 1116 3964 34 114 1532 138 114 4764 78 1716 3564 112 1716 5564 1 158 3964 134 158 6364 118 11316 1116 2 11316 1764 114 2 2532 2 2 1732 138 2316 2732 214 2316 11132 112 238 1516 214 238 11532 Fig C1 Heavy hex structural bolt and heavy hex nut AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION PARAFUSOS ASTM A325 e ASTM A490 Tipo 3 aço com elevada resistência à corrosão atmosférica PARAFUSOS ASTM A325 e ASTM A490 Identificação ASTM F3125F3125M23 Standard Specification for High Strength Structural Bolts and Assemblies Steel and Alloy Steel Heat Treated Inch Dimensions 120 ksi and 150 ksi Minimum Tensile Strength and Metric Dimensions 830 MPa and 1040 MPa Minimum Tensile Strength ABNT NBR 88002024 Tabela A3 Materiais usados em parafusos Especificação fybMPa fubMPa Diâmetro db mm pol ASTM A307 415 ½ db 4 ISO 8981 Classe 46 235 400 12 db 36 ASTM F3125 A325 a 635 830 16 db 36 ½ db 1½ ISO 4016 Classe 88 640 800 12 db 36 ASTM F3125 A490 895 1 040 16 db 36 ½ db 1½ ISO 4016 Classe 109 900 1 000 12 db 36 a Disponíveis também com resistência à corrosão atmosférica comparável à dos aços AR 350 COR ou à dos aços ASTM A588 b fyb e fub são respectivamente a resistência ao escoamento e a resistência à ruptura do aço dos parafusos Curvas tração versus alongamento em parafusos 1 kip 4448 kN TRANSMISSÃO DA FORÇA ENTRE AS PARTES CONECTADAS Ligação por contato bearingtype connection Permitida para parafusos comuns ou de alta resistência Ligação a corte simples Ligação a corte duplo Ligação por contato bearingtype connection TRANSMISSÃO DA FORÇA ENTRE AS PARTES CONECTADAS Ligação por atrito slipcritical connection Permitida apenas para parafusos de alta resistência Alta pressão de contato N F F F at at Condição FTb corresponde a 70 da força de tração resistente nominal MÉTODOS DE APERTO método da rotação da porca chave calibrada indicador direto de tração pouco utilizado Devem garantir a aplicação da protensão inicial FTb MÉTODO DA ROTAÇÃO DA PORCA Rotação da porca a partir da condição de prétorque aperto obtido após poucos impactos aplicados por uma chave de impacto ou pelo esforço máximo aplicado por um operário usando uma chave normal Tração versus alongamento em parafuso ASTM A325 Tração versus alongamento em ligação com parafusos ASTM A325 diâmetro 78 1 kip 4448 kN MÉTODO DA CHAVE CALIBRADA ou chave manual com torquímetro Devem ser calibradas para 105FTb no mínimo pelo menos uma vez por dia de trabalho para cada diâmetro de parafuso a instalar INDICADOR DIRETO DE TRAÇÃO A325 Galvanized DTIs Feeler gages Figure 32 Direct Tension Indicators and Feeler Gages Fig 36 Direct Tension Indicator Alternativa parafusos com controle de tração Twistoff bolt Quando especificar parafusos de alta resistência Em que situações é exigida a protensão inicial TIPOS DE FURO Furo Padrão d1 Furo Alargado d2 Furo pouco Alongado d1 l1 Furo muito Alongado d1 l2 DIMENSÕES MÁXIMAS DE FUROS Tabela 14 Dimensões máximas de furos para parafusos e barras redondas rosqueadas Unidades Diâmetro do parafuso ou barra redonda rosqueada db Diâmetro do furopadrão Diâmetro do furo alargado Dimensões do furo pouco alongado Dimensões do furo muito alongado polegadas 12 916 58 916 x 1116 916 x 1 14 58 1116 1316 1116 x 78 1116 x 1 916 34 1316 1516 1316 x 1 1316 x 1 78 78 1516 1 116 1516 x 1 18 1516 x 2 316 1 1 18 1 14 1 18 x 1 516 1 18 x 2 12 1 18 db 18 db 516 db 18 x db 38 db 18 x 25db milímetros 16 18 20 18 x 22 18 x 40 20 22 24 22 x 26 22 x 50 22 24 28 24 x 30 24 x 55 24 27 30 27 x 32 27 x 60 27 30 35 30 x 37 30 x 67 30 33 38 33 x 40 33 x 75 36 db 3 db 8 db 3 x db 10 db 3 x 25 db ESPAÇAMENTO MÍNIMO ENTRE FUROS E ENTRE FURO E BORDA smin 27db de preferência 3db emin 15db de preferência 2db ESPAÇAMENTO MÁXIMO ENTRE PARAFUSOS a elementos pintados ou não sujeitos à corrosão mm t s 300 24 max b elementos sujeitos à corrosão atmosférica executados em aços resistentes à corrosão não pintados mm t s 180 14 max Onde t é espessura da parte ligada menos espessa DISTÂNCIA MÁXIMA DE UM PARAFUSO ÀS BORDAS mm t e 150 12 max 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 ub be tRd γ f A F Resistência à ruptura do aço do parafuso 135 combinações normais Área efetiva do parafuso b be 0 75 A A 2 4 b b d A ÁREA EFETIVA DO PARAFUSO p é o passo da rosca K 09743 para rosca UNC parafusos ASTM K 09382 para rosca métrica parafusos ISO b b b be A d K p A A 0 75 1 2 Efeito de alavanca prying action 6351 Na determinação da força de tração solicitante de cálculo em parafusos e barras redondas rosqueadas devese considerar o efeito de alavanca produzido pelos deslocamentos e deformações das partes ligadas Quaisquer métodos que atendam aos requisitos dados em 6113 considerandose o efeito de alavanca podem ser adotados Os métodos apresentados em 6353 placa rígida e 6354 placa flexível atendem a esses requisitos Ver H32 para ligações sujeitas à fadiga Applied force Bolt force Prying forces maior rigidez menor rigidez Efeito de alavanca prying action Efeito de alavanca prying action ABNT NBR 88002008 6352 Podese dispensar uma análise mais rigorosa reduzindo FtRd em 33 se as espessuras das chapas das partes ligadas forem calculadas com base no momento resistente plástico Zfy 25 se as espessuras das chapas das partes ligadas forem calculadas com base no momento resistente elástico Wfy Adicionalmente a b Força resistente de cálculo cisalhamento 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 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 52 tração Força resistente de cálculo pressão de contato em furos 2 42 a dbtfu FcRd é o menor valor entre 2 21 a u f tf Rasgamento Esmagamento F f1 f2 F f1 f2 e 0 1 2 3 4 00 05 10 15 20 25 esmagamento rasgamento 24 0 1 2 3 4 00 05 10 15 20 25 esmagamento rasgamento 24 Força resistente pressão de contato em furos dbtfu F b f d F f1 f2 Colapso por rasgamento block shear Colapso por rasgamento nt u ts gv y a2 nt u ts nv u a2 rRd 0 60 γ 1 0 60 γ 1 A f C A f A f C A f F Av At Av At ruptura por cisalhamento ruptura por tração escoamento por cisalhamento ruptura por tração Força resistente de cálculo Tração e cisalhamento combinados Rd t t Sd F F Rd v v Sd F F alternativa 01 2 2 Rd v Sd v Rd t t Sd F F F F no plano de corte analisado 133 Rd v Sd v Rd t t Sd F F F F 133 Rd v Sd v Rd t t Sd F F F F Ligação por atrito Permitida apenas para parafusos de alta resistência Alta pressão de contato N F F F at at Condição Força resistente de parafusos de alta resistência em ligações por atrito Deslizamento deve ser considerado como ELU Nas ligações com furos alargados e furos pouco alongados ou muito alongados com alongamentos paralelos à direção da força Deslizamento deve ser considerado como ELS Nas ligações com furospadrão e furos pouco alongados ou muito alongados com alongamentos transversais à direção da força Deslizamento deve ser considerado como ELS Nas ligações com furospadrão e furos pouco alongados ou muito alongados com alongamentos transversais à direção da força Deslizamento deve ser considerado como ELU Nas ligações com furos alargados e furos pouco alongados ou muito alongados com alongamentos paralelos à direção da força Força resistente de parafusos de alta resistência em ligações por atrito Deslizamento como ELS coef atrito fator chapas de enchimento 085 se duas ou mais chapas e 10 nos demais casos número de planos de deslizamento força de tração que reduz o contato entre as partes valor nominal comb rara protensão Fatrito N Força resistente de parafusos de alta resistência em ligações por atrito Deslizamento como ELU coef atrito fator chapas de enchimento 085 se duas ou mais chapas e 10 nos demais casos número de planos de deslizamento protensão 120 para comb normais força de tração que reduz o contato entre as partes valor de cálculo Fatrito N FtRd frac113 mu Ce FTb nsgammae left 1 fracFtSd113 FTb right Tabela 13 Valores do coeficiente de ponderação da resistência gammae Combinações Furos alargados e furos pouco alongados com alongamento paralelo à direção da força aplicada Furos muito alongados com alongamento em qualquer direção Combinações últimas normais especiais ou de construção 120 140 Combinações últimas excepcionais 100 115 Força resistente de parafusos de alta resistência em ligações por atrito μ é o coeficiente de atrito médio 030 para superfícies classe A laminadas limpas sem pintura e classe C galvanizadas a quente com rugosidade aumentada 050 para superfícies classe B jateadas sem pintura 020 para superfícies galvanizadas a quente Outros valores podem ser estabelecidos com base em ensaios Ensaio de deslizamento slip test RSCS 2014 Corpo de prova Curvas típicas forçadeslizamento força de deslizamento 2 x força de protensão sk Superfícies em contato após ensaio Resultados SOLDA ELÉTRICA AWS D11 D11M Structural welding code steel SOLDA ELÉTRICA EM ESTRUTURAS DE AÇO Com metal de adição Arco elétrico com com eletrodo revestido SMAW Shielded metal arc welding Arco elétrico com proteção gasosa MIGMAG GMAW Gas metal arc welding Arco elétrico com fluxo no núcleo arame tubular FCAW Flux cored arc welding Arco submerso SAW Submerged arc welding SOLDA ELÉTRICA EM ESTRUTURAS DE AÇO 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 de cisalhamento pino com cabeça stud bolts SOLDAGEM COM ELETRODO REVESTIDO Metalbase eletrodo revestido calor SOLDAGEM COM ELETRODO REVESTIDO Metalbase eletrodo revestido calor SOLDAGEM COM ELETRODO REVESTIDO Eletrodos revestidos AWS A51 eletrodos revestidos de açocarbono para soldagem a arco AWS A55 eletrodos revestidos de baixaliga para soldagem a arco Classificação AWS E XXX X X X Eletrodo para soldagem a arco fw em ksi posições de soldagem tipo de corrente penetração e natureza do revestimento composição química somente AWS A55 SOLDAGEM COM ELETRODO REVESTIDO Exemplo E 6010 fw 60 ksi 415 MPa soldagem em todas as posições 1 todas as posições 2 plana e horizontal 3 plana 4 plana horizontal sobrecabeça e vertical descendente CC ou CA grande penetração e revestimento 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 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 COM ARAME TUBULAR Equipamento MIGMAG arame com fluxo no núcleo com ou sem proteção gasosa externa SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO Metalbase eletrodo nú fluxo granular fusível calor SOLDAGEM A ARCO SUBMERSO Metalbase eletrodo nú fluxo granular fusível calor Importante compatibilidade entre metalbase e metal da solda Importante compatibilidade entre metalbase e metal da solda Importante compatibilidade entre metalbase 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 do cordão SOLDA DE FILETE Hipótese de cálculo cisalhamento na seção efetiva igual à resultante vetorial de todas as forças na junta que produzam tensões normais ou de cisalhamento na superfície de contato das partes ligadas SOLDA DE FILETE limitações Tamanho máximo da perna do filete ao longo de bordas de partes soldadas dw t para t 635 mm Caso contrário dw t 15 mm SOLDA DE FILETE Força resistente de cálculo Ruptura do metal da solda 2 60 0 w w w w Rd A f F 70 d L d L A w e w 1 35 w2 Importante devese verificar também o metalbase SOLDAS DE PENETRAÇÃO total parcial sem chanfro chanfro em V simples chanfro em V duplo bisel simples chanfro em J chanfro em U SOLDA DE PENETRAÇÃO TOTAL Força resistente de cálculo Tração ou compressão normal à seção efetiva da solda 1 a y MB w Rd f A F Escoamento do metalbase 1 60 0 a y MB w Rd f A F Cisalhamento na seção efetiva Escoamento do metalbase SOLDA DE PENETRAÇÃO PARCIAL Força resistente de cálculo Tração ou compressão normal à seção efetiva da solda o menor dos dois valores 1 MB y w Rd a A f F 1 60 0 w w w w Rd A f F Cisalhamento paralelo ao eixo da solda na seção efetiva 2 60 0 w w w w Rd A f F 125 135 Obs devese verificar também o metalbase Escoamento do metalbase Ruptura do metal da solda Ruptura do metal da solda SOLDAS DE PENETRAÇÃO Área efetiva da solda Aw comprimento x garganta efetiva Solda de penetração total a garganta efetiva é a menor das espessuras das partes soldadas Solda de penetração parcial conforme tabela 6 Exemplo Tabela 6 Espessura da garganta efetiva de soldas de penetração parcial Processo de soldagem Posição de soldagem e Tipo de chanfro f Espessura da garganta efetiva Arco elétrico com eletrodo revestido SMAW a Todas J U V com ângulo de 60º Profundidade do chanfro Arco elétrico com proteção gasosa GMAW b Arco elétrico com fluxo no núcleo FCAW c Todas Arco submerso SAW d P J U V ou bisel com ângulo de 60º Arco elétrico com proteção gasosa GMAW b Arco elétrico com fluxo no núcleo FCAW c P H Bisel com ângulo de 45º Arco elétrico com eletrodo revestido SMAW a Todas Bisel com ângulo de 45º Profundidade do chanfro menos 3 mm Arco elétrico com proteção gasosa GMAW b Arco elétrico com fluxo no núcleo FCAW c V S Bisel com ângulo de 45º a SMAW Shielded Metal Arc Welding b GMAW Gas Metal Arc Welding c FCAW Flux Cored Arc Welding d SAW Submerged Arc Welding e P Plana H Horizontal V Vertical S Sobrecabeça f Ângulo do chanfro é o ângulo entre as faces de fusão SOLDA DE PENETRAÇÃO PARCIAL Garganta efetiva mínima ELEMENTOS DE LIGAÇÃO Verificar enrijecedores chapas de ligação cantoneiras consolos e partes das peças ligadas afetadas pela ligação Exemplos Regra geral Rd Sd Rd Sd 1 1 60 a y Rd a y Rd f f 2 2 60 a u Rd a u Rd f f Escoamento Ruptura o que for aplicável ELEMENTOS DE LIGAÇÃO Colapso por rasgamento block shear Av At Av At Av At Av At a Situações típicas nas quais deve ser verificado o estado limite c Situação típica na qual Cts 05 b Situações típicas nas quais Cts 10 Av At Av At Av At Av At a Situações típicas nas quais deve ser verificado o estado limite c Situação típica na qual Cts 05 b Situações típicas nas quais Cts 10 Bibliografia básica ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS 2008 ABNT NBR 88002024 Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edificações Rio de Janeiro ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS 2023 ABNTCB02002125003 Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edificações Projeto de Revisão agosto 2023 AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION 2022 ANSIAISC 36022 Specification for structural steel buildings Chicago AMERICAN WELDING SOCIETY 2010 AWS D11D11M2010 Structural welding code steel CUNHA LJG 1989 Solda como quando e por quê Porto Alegre DC Luzzato KULAK GL FISCHER JW STRUIK JHA 2001 Guide to design criteria for bolted and riveted joints American Institute of Steel Construction Chicago 2001 KULAK G 2002 High strength bolts a primer for structural engineering AISC Steel Design Guide 17 MALITE M et al 2003 Ligações em estruturas de aço Apostila Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo São Carlos 2003 MILLER DK 2006 Welded connections a primer for engineers AISC Design Guide 21 RESEARCH COUNCIL ON STRUCTURAL CONNECTIONS RCSC Specification for structural joints using highstrength bolts Chicago 2014 SALMON CG JOHNSON JE MALHAS FA2009 Steel structures design and behavior Pearson Prentice Hall