Ligações aparafusadas

Introdução

Em essência, as ligações aparafusadas transferem forças de um ou mais elementos para outros elementos e, posteriormente, para as fundações. Fazem-no por apoio, tração e, ocasionalmente, por atrito. São adequadas para quase qualquer tipo de junta. No entanto, na maioria das vezes, a rigidez resultante da junta não é reconsiderada no dimensionamento global, o que por vezes não deve ser ignorado. Os parafusos existem numa grande variedade de tamanhos (ver abaixo) e classes (material do parafuso), dependendo da norma e da região. Em alguns países, existe acesso tanto a dimensões métricas como imperiais – o que pode ser uma faca de dois gumes! Como também descobri, existem aplicações para telemóveis e vídeos no YouTube que ajudam os projetistas e engenheiros...

Voltando às minhas aulas de estruturas, uma das primeiras ligações que estudámos foi uma ligação aparafusada "simples", retirada de um exemplo de uma estrutura porticada em aço. Para mostrar há quanto tempo foi isso, usámos lápis e papel quadriculado! Os cálculos que se seguiram não teriam mais do que uma folha A4.

Como as coisas mudaram!

Naqueles primeiros tempos, nunca poderia ter imaginado as mudanças nos métodos e no raciocínio – mas esse é outro tema, para outro dia e outro artigo.

Ligações aparafusadas

A questão fundamental é: pode uma ligação aparafusada ser considerada "simples", mesmo que seja frequentemente descrita como tal? As ligações são complexas (quer queiramos ou não) e é necessário um engenheiro para as compreender e dimensionar. Existem formas "simples", sem dúvida, e sim – as ligações ainda podem ser dimensionadas e verificadas usando métodos tradicionais, com toda a certeza, e é aqui que todo o engenheiro de ligações deve começar a sua jornada, mas será que existe uma forma melhor?

Existem várias formas de realizar dimensionamentos, mas muitas opções simplificam demasiado o processo ao permitir uma janela estreita de aplicabilidade ou ao ignorar efeitos fundamentais – um dos maiores problemas continua a ser a dependência de forças envolventes e efeitos de ação não coincidentes.  Será esta uma simplificação excessiva que devemos realmente evitar? Provavelmente! Muitas empresas adotaram uma série de folhas de cálculo, mas isso também levanta preocupações quanto à verificação e à sua atualização.

Também me lembro de escrever reações de apoio num desenho baseadas apenas no corte e numa combinação de ações – sempre para o fabricante de estruturas metálicas dimensionar a ligação :-). Esses dias definitivamente acabaram. Mas demasiados engenheiros tentam manter-se com os métodos antigos e misturar a abordagem antiga com normas e métodos modernos – o que resulta em ligações deficientes, ineficientes e sobredimensionadas.

Vantagens e desvantagens das ligações aparafusadas

As ligações aparafusadas são excelentes, pois são relativamente fáceis de instalar, manter e inspecionar. Podem não ser tão económicas de fabricar como se pensa, uma vez que podem gerar mais material, têm furos para parafusos (que custam mais) e maiores concentrações de tensão. Também podem originar problemas em obra (por experiência própria), onde os parafusos errados (ou nenhuns parafusos) são enviados com a viga. Em algumas situações, podem oferecer ao projetista algum conforto, pois, invariavelmente, existe alguma capacidade adicional numa ligação aparafusada (se executada corretamente). No entanto, nenhuma ligação é infalível! Muitas falhas têm sido atribuídas a pormenores de parafusos deficientes – inseridos de cabeça para baixo/montagem incorreta do parafuso para a utilização prevista. É, portanto, muito importante ter em consideração as regras de pormenorização e quaisquer medidas especiais devem ser indicadas nos desenhos/informações de produção/montagem.

Tentar simplificar o processo escolhendo uma ligação "simples" pode frequentemente resultar numa junta mais cara de fabricar.  É possivelmente altura de considerar o custo do material e o CO₂ mais do que os custos de dimensionamento...

Por outro lado, à medida que as ligações aparafusadas se tornam mais complexas – seja devido à geometria ou ao carregamento aplicado, ou a ambos – tornam-se ainda mais difíceis de dimensionar e verificar normativamente. Uma abordagem simples, possivelmente decompondo uma ligação complexa em partes mais simples, não funcionará.

Erros comuns no dimensionamento

Existem muitos problemas possíveis que podem surgir ao dimensionar uma ligação, mas de longe os mais frequentemente observados no nosso serviço de apoio são as "surpreendentes" forças de tração nos parafusos quando nenhuma força desse tipo está a ser aplicada ao parafuso.

De onde vêm estas forças de tração e tensões de tração? Recomendo que investigue as forças de alavanca resultantes de chapas flexíveis no dimensionamento da sua junta. Estas podem por vezes ser mais gravosas do que as componentes de corte! Como nota adicional, se quiser ver como estas podem afetar o seu dimensionamento, tente aumentar o material de aço em várias ordens de grandeza e (se o fizer por etapas), poderá verificar que, à medida que a flexibilidade diminui, as forças nos parafusos tendem para o resultado "esperado".

Outro aspeto das ligações aparafusadas que pode ocorrer é quando são necessárias ligações resistentes ao deslizamento ou parafusos pré-esforçados. Isto não só afeta a abordagem de dimensionamento, como também os trabalhos em obra. Os ensaios e a certificação de tais parafusos em obra são problemáticos e dispendiosos. Quando era jovem engenheiro, disseram-me para evitar estes sempre que possível – pergunto-me porquê?

Um parafuso passa normalmente por um furo de parafuso.  Estes são designados furos de folga.  À medida que os diâmetros dos parafusos aumentam, também aumenta o diâmetro do furo de folga (ou deveria).  Além disso, se for aplicado um acabamento de material ou uma preparação de superfície, as folgas devem ser aumentadas – a galvanização é um bom exemplo aqui.

Mencionei no início deste artigo a abordagem com que comecei – uma reação de apoio de uma combinação de ações simples, geralmente majorada e depois arredondada para cima. Isto poderia até ter sido tabelado com base no tamanho de um elemento e na sua capacidade. Esta abordagem ainda está em uso hoje em dia em muitos países, e pode originar problemas no dimensionamento de ligações. O problema é de equilíbrio: equilibrar a engenharia com os pormenores resultantes. O dimensionamento estrutural evoluiu e o software utilizado também. De facto, poder-se-ia argumentar que uma estrutura não pode ser dimensionada (eficientemente) sem software. Como utilizar melhor todo este software para modelar e dimensionar as suas ligações aparafusadas?

A abordagem CBFEM

Como é que na IDEA StatiCa aproveitamos a tecnologia por detrás do CBFEM?  Esta metodologia está incorporada no IDEA StatiCa Connection. Os parafusos são tratados como molas não lineares dependentes. Isto permite que qualquer geometria de ligação, com qualquer carregamento aplicado, seja modelada, calculada e verificada normativamente. Além disso, a estabilidade e outros efeitos podem ser verificados – afinal, é improvável que a abordagem "simples" seja suficiente!

Um dos argumentos frequentemente citados é que esta é uma abordagem de "usar uma marreta para partir uma noz". No entanto, em versões recentes, estamos a tornar ainda mais fácil modelar e dimensionar ligações simples utilizando IA, Programação Visual e melhorias de API, usando o poder dos nossos computadores para reduzir o custo monetário e de CO₂ de ligações simples.

A isto acresce a capacidade de extrair os efeitos de ação/ligações de várias soluções FEA/BIM de fornecedores como Autodesk, Trimble, CSi, Nemetshek, etc., o que tem um impacto real na eficiência e precisão, uma vez que os efeitos de ação ou a própria ligação são transferidos para o IDEA Connection através do Checkbot – uma espécie de hub para a troca de informação sem descontinuidades entre diferentes soluções.

O IDEA StatiCa Connection é o melhor dos dois mundos! Fornecerá resultados precisos e verificáveis que podem ser sujeitos a verificação normativa.

Uma coisa é certa: nunca mais tratarei uma ligação aparafusada como simples!