Ligações de placas de aletas: teoria e aplicação

Neste artigo, serão apresentadas em primeiro lugar as formas mais frequentes de ligações de chapas de aletas, depois serão especificadas as suas vantagens e desvantagens e algumas delas explicadas em detalhe. As ligações entre vigas e pilares não são mais consideradas, mesmo que em princípio sejam possíveis. Além disso, as questões operacionais não devem ser negligenciadas. Infelizmente, ao dimensionar ligações de aço, a praticabilidade da ligação não é considerada ou é insuficientemente tida em consideração. Por isso, esses possíveis problemas também devem ser discutidos neste artigo.

Na segunda parte deste artigo, serão apresentados e explicados o cálculo e o dimensionamento de ligações de aletas e chapas de acordo com a norma EN 1993-1-8 [1] com um exemplo calculado com o RF-/JOINTS Steel - Pinned. Este artigo foca-se em alguns dimensionamentos que por vezes são omitidos na prática de dimensionamento. Existem muitas razões para isso, sendo provavelmente as duas mais frequentes as seguintes: O cálculo não deve ser muito complexo, porque é, como é sabido, "apenas" uma ligação de uma viga secundária. Ou o engenheiro de dimensionamento não tem conhecimento sobre a necessidade de um ou outro dimensionamento.

O presente artigo deve explicar a necessidade de um ou outro dimensionamento. Por fim, em caso de avaria, o argumento falso "No passado, sempre funcionou sem este dimensionamento!" não será muito útil. Ao realizar o dimensionamento, torna-se óbvio muito rapidamente como é complexo dimensionar uma ligação de aleta e placa de ligação e quão útil pode ser um programa de dimensionamento como o RF-JOINTS Steel - Pinned para permitir um dimensionamento económico de acordo com as normas relevantes dentro de um tempo de processamento razoável .

Na última secção, será demonstrada qual a grande desvantagem que é utilizar ligações de chapa de aleta e outras ligações com pinos: a redução frequentemente considerável do momento crítico de encurvadura. A maioria das ligações com pinos e em particular as ligações de chapas de aleta não podem ser consideradas como restrições à flexão e torção, o que pode levar a uma redução considerável da resistência para vigas com risco de estabilidade.

Dimensionamento de ligações de aletas

Nesta secção, serão apresentadas e avaliadas as suas vantagens e desvantagens no cálculo e dimensionamento, bem como no fabrico e montagem, das formas mais comuns de ligações de aletas e chapas como ligações entre vigas. Os pontos mencionados representam apenas sugestões e não pretendem ser completos.

Basicamente, as ligações de placa aletada podem ser utilizadas quer como ligações de viga a pilar quer como ligações de viga a viga, ao passo que as ligações de viga a pilar não serão aqui discutidas em maior detalhe. Na maioria dos casos, outros tipos de ligações pinos são mais favoráveis para ligações de viga-pilar.

O principal problema com as ligações da aleta durante a montagem é que é impossível compensar especificamente as tolerâncias de fabricação, tais como sobrecomprimento ou comprimentos curtos da viga, como é possível com as ligações com a placa de extremidade curta e as ligações de cantoneira dupla. As vigas aqui são fabricadas especificamente com um comprimento curto de acordo com a tolerância máxima que corresponde à norma. O comprimento curto assim obtido pode depois ser compensado no local com as chapas de reforço fornecidas.

O facto de este método não ser possível com ligações de aletas e chapas garante que não devem ser dispostas entre dois pilares, porque pode acontecer que a viga só possa ser montada à força. Além deste facto de os montadores terem problemas com isso, são introduzidos efeitos devidos de restrição no sistema estrutural que devem ser evitados.

Uma grande vantagem das ligações de aletas é, em geral, a estrutura fragmentada mais baixa em comparação com a maioria dos outros tipos de ligações com pinos. Não são necessárias peças pequenas, exceto os parafusos.

De seguida, serão apresentados os dois tipos mais comuns de ligações de chapas de aletas, como ligação de viga a viga. Isto é considerado como uma ligação com uma placa de aleta "longa" ou "curta".

Ligação entre vigas com uma placa de aleta "longa":

Ligação viga a viga com placa de aletas "comprida"

As ligações com aleta "longa" caracterizam-se pelo facto de não ser necessário entalhe na viga ligada, o que resulta numa aleta longa. As duas principais vantagens deste tipo de ligação são, em primeiro lugar, provavelmente menos trabalho na oficina, porque não é necessário um entalhe complexo e, em segundo lugar, não são de esperar problemas ao inserir a viga individual durante a montagem da viga.

A principal desvantagem deste tipo de ligação é o facto de estar frequentemente longe de um apoio lateral e de torção. Se é possível encurvadura por flexão-torção para esta viga, é importante ter em consideração a pequena rigidez de torção da ligação ao dimensionar a viga. Uma vez que o dimensionamento das estruturas de aço é frequentemente realizado por uma pessoa diferente dos dimensionamentos das ligações, isso pode levar a problemas.

Uma vez que a placa de aleta também é soldada em um ou em ambos os banzos da viga principal ao utilizar este tipo de ligação, é criada uma espécie de barreira. Ao utilizar estruturas por imersão a quente, isso resulta em furos e recortes adicionais na placa de aleta, para que o zinco líquido possa drenar quando extraído do banho de zinco. Se o engenheiro de dimensionamento tem de ter isso em consideração, depende do contrato celebrado. No cálculo ou dimensionamento estrutural, essas aberturas adicionais geralmente são desprezáveis.

Devido à grande excentricidade para este tipo de ligação, são necessárias rapidamente espessuras de placa maiores para a aleta. Isto, por sua vez, resulta no facto de as soldaduras terem de ser dimensionadas para serem muito resistentes, porque deveriam ter um estado limite último maior do que a placa ligada para garantir um comportamento dúctil dos componentes estruturais. É importante ter em conta que para cordões de soldadura com uma raiz de soldadura de 6 mm ou mais, é necessário soldar em várias camadas. A ligação torna-se assim rapidamente não económica em termos de material e produção.

Ligação entre vigas com uma placa de aleta "curta":

Ligação viga a viga com placa de aleta "curta"

Este tipo de ligação tem todas as vantagens da configuração com uma placa de aleta "longa", com exceção da garantia de uma montagem sem problemas da viga individual. Para espaçamentos de vigas menores, pode acontecer que a viga individual não pode ser inserida no local de instalação.

No entanto, como as plataformas de trabalho e as passarelas são geralmente pré-montadas no solo e depois inseridas e instaladas no local de instalação no todo ou em grandes partes (conjunto), raramente ocorrem casos de inserção de uma viga individual e problemas relacionados . Em qualquer caso, o engenheiro de planeamento e/ou o dimensionador deve familiarizar-se com a tecnologia de montagem da empresa executora.

Uma vantagem adicional desta opção com placa de aleta "curta" é a excentricidade de ligação geralmente bastante pequena, o que geralmente resulta em resultados mais económicos do que a opção com aleta "longa".

Uma desvantagem deste tipo de ligação é o entalhe geralmente necessário da viga secundária, o que resulta em determinados casos em dois ou mesmo três problemas. Em primeiro lugar, deve ser mencionado aqui o esforço adicional na produção, que dificilmente se aplica às oficinas modernas.

O segundo problema é a resistência mais baixa da viga na zona entalhada. Aqui são necessários dimensionamentos adicionais, que em alguns casos também se tornam os dimensionamentos determinantes. Este é especialmente o caso quando são necessários entalhes em ambas as extremidades (isto é, nos banzos superior e inferior da viga). Este é frequentemente o caso quando as vigas secundárias e principais são quase iguais.

O terceiro problema que pode resultar do entalhe ocorre apenas com estruturas por imersão a quente feitas de aços estruturais de alta resistência (a partir de S355). Tem de ser verificado aqui que não ocorre formação de fendas na área de entalhe durante o processo de galvanização. Isto pode ser realizado através do cálculo ou da classificação do detalhe de acordo com a diretiva DASt (Comité Alemão para a Construção em Aço) 022. O segundo pode ser o caso normal.

Exemplo de dimensionamento de uma ligação de chapa de aleta curta com entalhe

Nesta secção, serão apresentados e explicados em certa medida o cálculo e o dimensionamento de uma ligação de placa aletada de acordo com a norma EN 1993-1-8 [1]. A Figura 03 apresenta a plataforma de trabalho considerada. Com uma área de base de 4,00 m x 4,00 m, está pendurada de um lado na plataforma principal por cima e ligada à estrutura principal do outro lado. Por isso, a plataforma pode ser "separada" do cálculo global devido ao apoio que não é estritamente necessário, mas geralmente ajuda a ter um cálculo e dimensionamento mais claros e, por vezes, mais rápidos.

Considerada plataforma de trabalho

O dimensionamento (preliminar) com o módulo adicional Rf-STEEL EC3 resultou numa secção da viga principal IPE220-S235JR e numa secção da viga da plataforma IPE180-S235JR. Os ganchos são realizados de acordo com a norma IPE160-S235JR devido a fatores de dimensionamento. O reforço da plataforma não deveria ser mais considerado aqui.

A Figura 04 apresenta a ligação da placa de aleta com as suas dimensões mais importantes. Provavelmente serão indicadas mais dimensões durante o dimensionamento. Os esforços internos da ligação resultam em:

Ligação de placas de aletas

Antes de o dimensionamento ser realizado em detalhe e parcialmente explicado, deve ser mencionada primeiro uma exigência óbvia: a altura da placa da aleta tem de ser inferior à altura da viga secundária. Esta exigência deve evitar o contacto entre a viga ligada e os componentes estruturais de apoio. A primeira componente de dimensionamento prossegue este objectivo, que será demonstrada a seguir.

Rotação disponível numa ligação articulada:

Este é um daqueles dimensionamentos que são facilmente ignorados na prática de dimensionamento, mas garante que pode ser assumida uma ligação articulada onde foi assumido no cálculo dos esforços internos. Para este dimensionamento, é assumido um ponto de rotação no centro geométrico geométrico da disposição do parafuso. Então, é calculado um ângulo a partir do qual ocorre o contacto entre o banzo da viga e o elemento estrutural de apoio (aqui, a alma da viga principal).

O contacto é basicamente possível.

A ligação pode absorver as rotações de 0,45° que ocorrem, a verificação é cumprida.

Prevenção de rotura prematura da soldadura:

Basicamente, o dimensionamento dos cordões de soldadura tem de ser realizado de acordo com a secção 4 da EN 1993-1-8 [1]. No caso de carregamentos relativamente pequenos, em comparação com a resistência ao corte da viga ligada, as soldaduras necessárias podem tornar-se muito finas. Neste caso, a resistência da soldadura é geralmente inferior à resistência dos outros componentes. Como resultado, a possível rotura da ligação é caracterizada por uma rotura frágil da soldadura. A ligação quase não tem ductilidade.

A espessura de soldadura selecionada foi assumida com 4 mm. O critério está, assim, cumprido.

Rotura por corte do parafuso individual:

A única dificuldade deste dimensionamento é a distribuição correta das forças internas da ligação sobre os parafusos individuais. Em geral, a distribuição das forças é descrita em diversos livros de texto, pelo que não será discutida em maior detalhe aqui.

Rotura por corte dúctil do grupo de parafusos:

Esta condição de dimensionamento deve garantir que pode ocorrer uma redistribuição plástica das forças internas do estado real para o estado de dimensionamento. Este critério nunca deveria se tornar determinante, isso significa que a taxa de utilização máxima deve ocorrer neste dimensionamento.

Rotura de rolamento de um furo de parafuso na placa de aleta:

Uma vez que o número de planos de corte numa ligação de placa alheta é sempre 1, as componentes da força correspondem às da rotura de corte. Por isso, não é necessário um recálculo.

Rotura por corte na secção bruta da placa de aleta:

Rotura por corte na secção líquida da placa de aleta:

Resistência ao corte do bloco do grupo de parafusos na placa de aleta:

A verificação da resistência ao corte do bloco do grupo de parafusos é uma verificação padrão como a verificação da resistência ao corte e apoio do parafuso individual, que não é explicado em maior detalhe aqui. Para uma apresentação mais detalhada das fórmulas de dimensionamento, consulte os diversos manuais.

Rotura por flexão da placa da aleta:

Este mecanismo de rotura pode não ocorrer em muitos casos. Uma vez que o esforço para o cálculo da resistência da flexão da placa da aleta é bastante gerível, normalmente é sempre calculado um valor de resistência. No entanto, pode ser descartado que este mecanismo de rotura pode se tornar determinante se a altura da placa da aleta exceder 2,73 vezes o braço de alavanca z. Neste caso, a resistência à flexão é sempre maior do que a resistência à rotura por corte na secção bruta da placa de aleta.

Encurvadura da aleta:

Este dimensionamento é frequentemente esquecido na prática de dimensionamento. Pode dar-se o caso de se tornar o dimensionamento determinante em condições geométricas desfavoráveis. Este dimensionamento deriva da antiga norma britânica para estruturas em aço BS 5950-1 [3] de 2000. Para um exame mais detalhado, consulte o presente regulamento bem como a literatura que os comenta.

A resistência à encurvadura (na verdade, resistência à encurvadura por flexão-torção) depende assim da resistência da placa de aleta para encurvadura por flexão-torção, que por sua vez depende da esbelteza da placa. O valor da resistência pode ser obtido a partir da regulamentação britânica BS 5950-1 [3] na Tabela 17, embora deva ser mencionado que os aços estruturais com a resistência S235 não são ou são raramente utilizados no Reino Unido; é por isso que não estão explicitamente contidos valores para este aço. No entanto, os valores de S275 e a tensão de cedência S235 podem ser utilizados.

Teoricamente, seria assim possível uma verificação da encurvadura, o que não é considerado adequado. Parece ser melhor excluir completamente este tipo de rotura da placa da aleta. Pode ser assumido como garantido se o seguinte dimensionamento é cumprido.

Rotura por tração da placa da aleta na secção bruta:

Esta verificação só é necessária para a ocorrência de forças normais na ligação. Apesar dos pequenos carregamentos da força normal, que podem ser classificados como desprezáveis, o dimensionamento é realizado por razões de completude.

Rotura por tração da alma da viga na secção líquida:

Verificação da resistência da viga na zona entalhada:

Este dimensionamento torna-se frequentemente determinante quando são necessários entalhes em ambos os lados da viga. Tem de ser garantido aqui que os momentos de flexão ocorridos e as forças de corte na área de corte da viga podem ser absorvidas com segurança.

A força de corte pode ser ignorada em dimensionamentos adicionais. Teoricamente, pode ser realizada uma verificação de tensão equivalente, a qual é, no entanto, negligenciada no texto seguinte. Apenas a tensão normal dos momentos de flexão e da força normal é determinada e verificada.

Rotura por rolamento de um furo de parafuso na alma de viga:

As forças atuantes correspondem às forças da aleta. No entanto, as resistências têm de ser recalculadas devido às diferentes espessuras da placa.

Rotura por corte na secção bruta da alma de viga:

Rotura por corte na secção líquida da alma de viga viga:

Resistência ao corte do bloco do grupo de parafusos na alma de viga:

Rotura por tração da alma de viga na secção bruta:

Esta verificação só é necessária para a ocorrência de forças normais na ligação. Apesar dos pequenos carregamentos da força normal, que podem ser classificados como desprezáveis, o dimensionamento é realizado por razões de completude.

Rotura por tração da alma da viga na secção líquida:

Rotura por flexão da alma de viga principal:

Este dimensionamento é necessário para ligações de aletas unidirecionais ou bidirecionais, mas com cargas desiguais na alma de um pilar. Este dimensionamento também deve ser realizado se uma placa de aleta só for soldada a uma alma de viga. Esta não é seguramente a regra geral, uma vez que a placa de aleta será soldada a pelo menos um banzo de viga principal na prática de dimensionamento. Neste exemplo, tal configuração de ligação foi deliberadamente selecionada para mostrar brevemente este dimensionamento.

Devido às forças normais baixas, o dimensionamento também não seria considerado na prática de dimensionamento, uma vez que uma rotura da alma da viga principal pode ser excluída desde o início.

Neste ponto, o dimensionamento da ligação está concluído com êxito. Todas as condições de dimensionamento são cumpridas.

Deve ser enfatizado aqui que o dimensionamento continha apenas uma combinação de cargas. Teoricamente, o dimensionamento tem de ser realizado individualmente para todas as combinações de dimensionamento possíveis, o que seria muito extenso. Na prática de dimensionamento, é frequentemente o caso que são utilizadas forças internas de uma envolvente, o que pode levar a ligações muito não económicas no pior dos casos.

Dimensionamento com RF -JOINTS Steel - Pinned

Influência das ligações na estabilidade do elemento

Por fim, é mencionado o maior problema que ocorre com as ligações de chapas aletadas, bem como com outros tipos de ligações pinadas: o desvio parcialmente grande de um apoio lateral e de torção. Este desvio é, em contraste com as ligações rígidas, muitas vezes incorreto e, portanto, de significativa importância em termos de segurança.

O seguinte texto não mostrará o método de dimensionamento correto para este problema, mas sim como um engenheiro de dimensionamento pode lidar com isso.

Na construção em aço, ocorre frequentemente que o engenheiro responsável pelo dimensionamento da viga não dimensiona todas as ligações da estrutura. Geralmente, ele dimensiona as bases dos pilares, bem como as ligações principais da estrutura, e entrega as ligações secundárias à empresa executora. Os engenheiros e dimensionadores desta empresa sabem melhor quais as ligações que se adequam à sua tecnologia de fabrico e montagem.

O grande problema neste procedimento de trabalho é que o dimensionador responsável pelo dimensionamento das vigas dificilmente pensa se as suas vigas secundárias estão conectadas de acordo com as suas suposições. Frequentemente, é possível assumir um restrição à flexão e torção na extremidade da viga para vigas de plataforma que suportam riscos de encurvadura por flexão-torção, o que por vezes pode ser um problema para o dimensionador das ligações. A questão aqui é o que o dimensionador já poderia fazer ao dimensionar a viga para simplificar o trabalho para o dimensionamento subsequente da ligação.

A antiga norma alemã de construção em aço DIN 18800-2 oferecia a possibilidade de considerar entalhes de vigas em análises de encurvadura por flexão-torção atribuindo um coeficiente de viga n = 2,0 à viga entalhado (em contraste com a viga não entalhado n = 2,5). Na atual verificação do Eurocódigo para encurvadura por flexão-torção, isso corresponderia a uma classificação para uma curva de encurvadura por flexão-torção mais desfavorável (por exemplo, da curva de encurvadura b até c). Tal consideração de um entalhe não é fornecida na EN 1993-1-1 [2]. Esta reclassificação da curva de encurvadura para vigas secundárias articuladas de uma estrutura de aço deve ser realizada sempre, porque isso dá ao dimensionamento de ligações subsequente a opção de não ter necessariamente de criar um restrição à flexão e torção. Outra possibilidade para esta reclassificação da curva de encurvadura seria limitar a relação das vigas secundárias para encurvadura por flexão-torção a um determinado valor (por exemplo, 80%).

No âmbito do dimensionamento da ligação, o dimensionamento responsável tem de verificar de qualquer forma o dimensionamento da viga secundária para a rigidez da ligação mais baixa, o que só é possível se tiver algumas tolerâncias em relação ao planeamento original. A aparência desse dimensionamento é uma decisão do engenheiro de dimensionamento. Infelizmente, as normas de engenharia não oferecem qualquer ajuda.

O dimensionamento da viga tendo em consideração a rigidez de ligação mais baixa pode ser realizado basicamente de duas formas: quer por consideração direta no apoio através de uma mola de torção quer através de uma tabela ou diagramas para determinar o momento de encurvadura crítico elástico.

O segundo caso é o da preferência, desde que um dimensionamento equivalente da barra deva ser realizado manualmente. Uma vez que o processo de dimensionamento não é abordado em particular por este artigo, é apenas utilizado referências úteis. Altamente recomendados são os artigos [5] , [6] e [7]. Infelizmente, o relatório de pesquisa correspondente do DASt a [6] e [7] ainda não foi publicado, o que pode ser a fonte mais útil em alemão para esta dificuldade.

A possibilidade de considerar uma mola de torção adequada é certamente a abordagem de solução se o dimensionamento tiver de ser realizado com o método geral de acordo com a secção 6.3.4 da EN 1993-1-1 [2] ou com o cálculo de acordo com a encurvadura por torção de segunda ordem teoria. Para obter esses parâmetros de mola, é possível um cálculo com o método EF (por exemplo, RFEM).