Chapa de ligação - qual é a grande questão?

Quando precisa de criar uma ligação com chapa de ligação muito rapidamente, o que faz? Simplesmente adiciona uma peça retangular de chapa metálica à viga principal e liga o elemento secundário a esta placa. E está feito. Então, qual é a grande questão?

Não há grande questão quando 1. se liga um elemento sob carga de tração, 2. há espaço suficiente para todos os componentes da ligação, e 3. não é necessário lidar com a estética da ligação. Toda a complexidade começa com a complexidade das ligações, com a compressão nos elementos, e com a pressão sobre o custo e o aspeto visual da tarefa. 

Tipos básicos de disposições de ligações com chapa de ligação

Na figura seguinte, podemos ver as disposições transversais típicas das chapas de ligação nas ligações de estruturas de aço. 

A aplicação mais comum das chapas de ligação pode ser encontrada nas vigas em treliça e nos sistemas de contraventamento lateral, onde os elementos diagonais são ligados através das chapas de ligação.

O que é e o que não é uma chapa de ligação

Para um olho inexperiente, pode ser difícil encontrar a chapa de ligação (ou chapas de ligação) entre todos os componentes de aço na ligação. Alguém poderia perguntar, não é apenas mais um enrijecedor? Bem, não é. 

• As chapas de ligação são as partes cruciais da estrutura, através das quais todas as forças internas dos elementos ligados são transmitidas.
• Enquanto os enrijecedores são partes importantes necessárias para a rigidez correta da ligação e para evitar a encurvadura das chapas.
• Simplificando, se a chapa de ligação falhar, um desastre está iminente. Sem os enrijecedores, a estrutura sobrevive (pelo menos durante algum tempo). 

O termo chapa de ligação frequentemente entra em destaque apenas após o colapso de uma estrutura ou de uma parte dela. O colapso da Ponte Interstate 35W em 2007 foi um desses infelizes acontecimentos.

Neste caso, o principal responsável foi identificado como o dimensionamento insatisfatório das chapas de ligação das vigas em treliça e a falta de controlo destas partes da ligação durante o incontável número de inspeções à ponte. Simplesmente se assumiu que as chapas de ligação não seriam o ponto mais fraco no dimensionamento e que as ligações com chapas de ligação são mais resistentes do que os elementos que convergem para a ligação. Infelizmente, não eram.

As normas de dimensionamento fornecem-nos alguns manuais sobre como verificar o dimensionamento das ligações com chapas de ligação. Alguns exemplos de normas de dimensionamento com especificações para chapas de ligação:

• AISC 360-16 (Estados Unidos)
• CSA-S16-09 (Canadá)
• EN 1993-1-8 (Ambiente europeu)

Estes manuais baseiam-se numa abordagem analítica, que é bastante fácil de aplicar, mas pode ser muito morosa com o aumento do número de tipos de ligações ou alternativas.

Elementos em tração

As ligações de elementos em tração são, digamos, as mais simples. Mas o engenheiro ainda tem de realizar um conjunto de verificações nas chapas de ligação. Como exemplo, a secção transversal de Whitmore deve ser verificada para as forças de tração.

Como se apresenta no papel:

E na estrutura real:

Outra verificação está relacionada com a rotura por corte em bloco numa ligação, que envolve componentes de corte e de tração e está especificada na AISC 360 Sec. J4.3. Como projetista de ligações, tem de verificar todos os possíveis planos de rotura por corte nas grelhas de parafusos, como se pode ver no exemplo apresentado abaixo.

Pode encontrar um exemplo bem elaborado de avaliação da resistência ao corte em bloco neste artigo de verificação.

Elementos em compressão

O dimensionamento de ligações com chapa de ligação pode tornar-se um "desporto" completamente diferente quando se trata de elementos em compressão. Ainda temos de verificar todas as roturas por corte, mas o problema de encurvadura começa a desempenhar um papel muito mais importante. 

Um parâmetro crucial no dimensionamento de ligações de elementos em compressão é o facto de o elemento poder ou não deslocar-se para fora do plano da chapa de ligação. Isto influenciará o comportamento do mecanismo de rotura e a formação de rótulas plásticas nas chapas. No IDEA StatiCa Connection, pode definir este comportamento para cada elemento em particular, selecionando simplesmente o Tipo de modelo correto.

Os modos de rotura para estas duas situações diferentes são apresentados na figura seguinte.

Isto também pode ser resolvido por uma abordagem analítica, mas provavelmente passará muito tempo com cada disposição de ligação individual. Mais provavelmente, o engenheiro poupará tempo precioso simplesmente evitando esta situação e adicionando alguns enrijecedores. É uma solução compreensível, mas dispendiosa.

Utilizar uma ferramenta inteligente que forneça a verificação de estabilidade para tais ligações é outra forma. A análise de encurvadura é uma parte elementar da aplicação IDEA StatiCa Connection e fornece as formas de encurvadura e os fatores de carga para um número de formas definido pelo utilizador.

Investigação

No desenvolvimento do IDEA StatiCa, não há lugar para uma abordagem de tentativa e erro. Todos os métodos utilizados nas aplicações e modelos de cálculo são verificados em ensaios de estruturas reais e posteriormente analisados em cooperação com universidades de renome.

Uma dessas investigações foi também dedicada ao dimensionamento de ligações com chapa de ligação. Os resultados dos ensaios foram comparados com a modelação CBFEM com uma correlação muito boa. Aqui pode encontrar o nosso artigo de verificação com os resultados da investigação.

Como ser eficaz e competitivo

Quais são então as suas opções quando surge a necessidade de dimensionar ligações de acordo com as normas, mas também quando precisa de realizar os seus dimensionamentos e verificações não em meses, mas em semanas? Além disso, precisa de ser flexível para revisões durante o projeto e quer comparar várias disposições num tempo razoável. Quer também que as suas ligações sejam facilmente montadas e não custem uma fortuna?

Já conhece a resposta certa: precisamos de utilizar ferramentas do século XXI, que farão a maior parte do trabalho não criativo por nós. Se queremos ter as mãos verdadeiramente livres no dimensionamento, o número de opções reduz-se significativamente. 

Pode simplesmente experimentar o IDEA StatiCa Connection e descobrirá que é tudo o que precisa para o trabalho. Ou pode seguir o caminho de aprendizagem habitual: 

• Primeiro, utilizar apenas algumas folhas de cálculo Excel, 
• depois experimentar software de ligações mais sofisticado baseado em folhas de cálculo, 
• quando estiver nos limites, passar algum tempo com experiências em algo ainda mais sofisticado, 
• talvez criar alguns modelos de casca detalhados nas suas aplicações de MEF 
• e após todas estas tentativas, optar pela aplicação IDEA StatiCa Connection de qualquer forma.

Após este percurso, apreciará plenamente todos os seus benefícios.  

Breve tutorial em vídeo dedicado à ligação com chapas de ligação

Quando se trata de estimativa de custos, pode ser realmente complicado calcular o preço de cada ligação nos dias de hoje. Na aplicação IDEA StatiCa, esta informação surge quase como um agradável efeito secundário. Neste artigo, encontrará todas as dicas necessárias sobre como utilizar esta funcionalidade.

Outra utilização típica das chapas de ligação

Graças à chegada da maquinagem CNC também às oficinas de construção civil, as chapas de ligação são uma das principais formas de ligar não só elementos de aço, mas também elementos de madeira. Em vez de moldar formas complexas nas extremidades dos elementos, podemos simplesmente introduzir uma chapa de aço com furos. Os elementos de madeira são preparados com furos e ranhuras feitos por CNC, e a ligação é finalmente montada com pinos e parafusos de aço.

O próximo nível na evolução do dimensionamento estrutural é combinar materiais estruturais e utilizar o melhor das suas propriedades no lugar certo. Foi assim que surgiram as estruturas híbridas de madeira e aço. Além da sua beleza visual natural, existem muitas outras razões para a sua utilização, como a redução de custos, menor necessidade de proteção contra incêndio ou a redução da pegada de carbono.

Para os interessados no dimensionamento de ligações aço-madeira, leia mais sobre as ligações de madeira resolvidas no IDEA StatiCa Connection no nosso Centro de Suporte.

A IDEA StatiCa orgulha-se de estar na linha da frente no dimensionamento de ligações e elementos estruturais. Se tem uma ideia de como o dimensionamento de chapas de ligação pode ser melhorado, diga-nos.