Segundo SANTOS (2003), o estudo do comportamento das ligações em estruturas
compostas por perfis tubulares é de extrema importância, uma vez que provocam tensões nos tubos que devem ser avaliadas de forma a possibilitar a elaboração de projetos otimizados.
Neste tópico pretende-se abordar, de forma generalizada, o comportamento das
ligações em estruturas tubulares, apontando as principais formas de colapso destes elementos. Recomenda-se ainda a leitura das Normas, textos e dissertações que tratam deste assunto de forma mais específica, como o Eurocode 3, PACKER (1997), WARDENIER (2000), SANTOS (2003), entre outros. O item 7 da NBR 8800/86 apresenta as condições específicas para o dimensionamento de ligações em geral.
Nas estruturas que utilizam perfis tubulares de seção circular, as ligações entre as
peças são realizadas por meio de dispositivos de extremidade para ligações parafusadas, chapas, conectores especiais ou pela união direta das barras secundárias na parede da barra principal. No caso de treliças planas, o objetivo principal das ligações de extremidade das barras é desenvolver a resistência à tração ou à compressão necessária à estrutura, sem enfraquecer o perfil no qual estão conectadas.
Para o entendimento apropriado do comportamento das ligações entre perfis
tubulares, é importante considerar-se a transmissão dos esforços, a distribuição da resistência interna na conexão e os efeitos das propriedades do material (WARDENIER, 2000).
A transmissão dos esforços indica os possíveis locais de colapso da ligação, enquanto
a distribuição da resistência, combinada com o comportamento do material, determina o modo de colapso da ligação nesses locais. Os modos de colapso mais comuns ocorrem nas chapas que estão ligadas aos tubos (figura 4.13), nas soldas que fazem a ligação dos elementos (figura 4.14), na face superior do tubo que recebe o elemento de ligação por fratura lamelar (figura 4.15) ou por puncionamento da parede (figura 4.16) e nas paredes laterais do tubo (figura 4.17).
Os critérios geralmente utilizados para a caracterização de um colapso são:
Resistência ao carregamento último; Limite de deformação;
Aparecimento de trincas (observação visual).
Figura 4.14: Colapso na solda
Fonte: WARDENIER, 2000. Figura 4.15: Fratura lamelar na face superior do tubo. Fonte: WARDENIER, 2000.
Figura 4.16: Puncionamento por cisalhamento na face superior do tubo. Fonte: WARDENIER, 2000.
Figura 4.17: Colapso na parede lateral do banzo. Fonte: WARDENIER, 2000.
Deve-se verificar ainda o esmagamento dos elementos de contato, o colapso por
rasgamento das chapas e o cisalhamento dos parafusos.
(a) Ligações soldadas entre perfis tubulares de seção circular
Os perfis tubulares de seção circular podem ser conectados de diversas maneiras.
Entretanto, a solução mais simples e que envolve menor quantidade de material é a ligação direta através de solda.
A transmissão das forças neste tipo de ligação é considerada complexa devido à
distribuição não linear da resistência ao longo do perímetro das diagonais que estão conectadas aos banzos. As regras de cálculo são, portanto, baseadas em modelos analíticos simplificados, combinados com evidências experimentais o que resulta em fórmulas de cálculo semi-empíricas.
Para as ligações soldadas entre perfis tubulares de seção circular, as possíveis formas
globais de colapso são apresentadas na figura 4.18, além daquelas ilustradas pelas figuras 4.14 e 4.15.
(a) Colapso no montante resultante da redução da área útil devido à fissura na solda
ou na extremidade do montante.
(b) Puncionamento ou arrancamento de uma área do banzo em torno do montante.
(c) Flambagem local do banzo. (d) Cisalhamento do banzo.
(e) Plastificação da corda
Figura 4.18: Modos de colapso em ligações soldadas nos perfis tubulares de seção circular. Fonte: WARDENIER, 2000.
No caso de ligações K e N, a forma predominante de colapso é a plastificação do
banzo (figura 4.19), similar ao tipo A em perfis retangulares e quadrados, embora a flambagem local da parede do banzo sob o montante comprimido seja também uma possibilidade (PACKER, 1997).
(a) Ligação “T” (b) Ligação “Y”
(c) Ligação “X” (d) Ligação “K” com Gap
(e) Ligação “N” com Overlap (f) Ligação “KT” com Gap
Figura 4.19: Exemplos de ligações diretas entre perfis tubulares de seção circular. Fonte: WARDENIER, 2000.
(b) Ligações entre tubos utilizando chapas
De acordo com SANTOS (2003), a utilização de chapas nas ligações com perfis
tubulares (figura 4.20) ocorre devido às seguintes razões:
Possibilita o comprimento adicional de solda de filete no tubo, devido a sua maior facilidade de utilização se comparada à solda com 100% de penetração
em tubos, cuja parede geralmente é mais espessa.
Permite o corte de barras menores e suporta toda a carga proveniente destas barras, descarregando na barra principal (banzo).
A distribuição de tensões nas chapas neste tipo de ligação não acontece de forma
homogênea. Este fato necessita de um estudo rigoroso através do desenvolvimento de modelos analíticos que devem ser confrontados com resultados experimentais, de forma a possibilitar uma melhor compreensão do comportamento desta distribuição e otimizar o dimensionamento.
Figura 4.20: Ligação com chapa de gusset. Montagem de estrutura em perfil tubular na Fábrica da Brafer, Araucária/PR.
Fonte: Arquivo pessoal, 2005.
(c) Ligações parafusadas
São diversos os tipos de ligações parafusadas existentes e os métodos de cálculo
utilizados em perfis tubulares são basicamente os mesmos utilizados nas ligações entre outros tipos de perfis metálicos.
O cálculo para os elementos tracionados baseia-se nos seguintes modos de colapso:
Escoamento da seção bruta Ruptura da seção líquida efetiva.
Em ligações parafusadas que utilizam a chapa de gusset, deve ser verificada a
flambagem da chapa caso esteja sob compressão.
flanges são formados por duas placas soldadas nas extremidades dos tubos, que se unem por meio de parafusos (figura 4.21). Neste tipo de ligação deve-se observar a possível ocorrência de flexão das peças devido às forças de tração que atuam nos perfis. Caso a flexão ocorra, a força de contato (efeito “prying”) entre os flanges aumentará a força total do parafuso em relação à tração aplicada, fazendo com que o comportamento desta ligação fique mais complexo (SANTOS, 2003).
Figura 4.21: Ligação entre flanges. Fonte: WARDENIER, 2000.
Além destes procedimentos, é de extrema importância a verificação das resistências
dos parafusos, arruelas e porcas, bem como a pressão de contato nas chapas.