Conexões de aço: o que são e exemplo prático para cálculo e verificação

No imaginário coletivo, uma estrutura é quase sempre identificada com uma estrutura em concreto armado. Nos últimos tempos, porém, um número cada vez maior de projetistas se deixa fascinar pelas estruturas metálicas. Quando se projetam estruturas metálicas, é necessário realizar a verificação dos elementos estruturais, especialmente das conexões de aço, que ainda hoje representam um problema de difícil solução, a menos que se decida usar um software de verificação de conexões de aço que permita uma modelagem livre da conexão e um cálculo por elementos finitos (FEM) para conjugar liberdade de projeto e rigorosidade de cálculo.

Se você também se encontra diante da árdua tarefa de calcular as conexões de aço, recomendo que experimente imediatamente um software de verificação de conexões de aço para descobrir uma maneira simples e eficaz de realizar o cálculo e a verificação das conexões de aço.

A seguir, você encontrará uma visão geral sobre as características das conexões de aço, suas classificações e um exemplo prático de como calcular as conexões de aço.

O que são as conexões de aço?

Uma conexão de aço é a interseção entre os eixos dos elementos estruturais em aço. As estruturas metálicas em aço surgem da montagem de vários elementos estruturais que devem ser unidos entre si por meio de ligações indispensáveis à realização do organismo edilício tridimensional. A estrutura é geralmente composta por elementos unidimensionais (vigas e pilares) e por elementos bidimensionais (placas) que podem ser semiacabados, perfurados e montados em um local diferente daquele de montagem.

Um exemplo clássico de conexão de aço é dado pela interseção entre um pilar e uma ou mais vigas, pela interseção de duas ou mais vigas e, finalmente, pela ligação dos elementos em elevação com a estrutura de fundação.

Exemplo de conexão de aço

O estudo das conexões de aço desempenha um papel fundamental para a estabilidade global da estrutura. Os nós devem ser projetados e realizados de forma coerente com as hipóteses utilizadas na verificação de estabilidade global, de modo a poder realizar vínculos em perfeita aderência ao que foi hipotetizado na fase de cálculo. Para tal, é necessário, por parte do projetista estrutural, focar a atenção no projeto e na verificação de tais nós.

Tipologias de nós estruturais: classificação das conexões de aço

Os nós são classificados tanto em função dos meios de união utilizados quanto em função dos elementos estruturais conectados.

Classificação por meios de união utilizados

Os meios de união utilizados dentro dos nós em aço são assim classificados:

• uniões cravadas;
• uniões soldadas;
• uniões por atrito com parafusos de alta resistência.

É possível então identificar uma classificação adicional das conexões de acordo com a rigidez e com a resistência.

Com base na rigidez, os nós podem ser classificados em:

• articulado: este tipo de nó deve ser projetado de forma que não possam se desenvolver momentos apreciáveis que poderiam ter um efeito negativo sobre os elementos da estrutura. Um nó articulado é capaz de permitir a rotação relativa das partes unidas sem gerar momentos secundários;
• rígido: este nó deve ser projetado de forma que sua deformação não tenha uma influência apreciável sobre a distribuição das forças e dos momentos internos da estrutura nem sobre a deformação global. As deformações das conexões rígidas devem ser tais que não reduzam a resistência da estrutura em mais de 5%. As conexões rígidas devem ser capazes de transmitir as forças e os momentos calculados no projeto;
• semirrígido: um nó que não atende aos critérios para uma conexão rígida ou para uma conexão articulada deve ser classificado como semirrígido.

Com base na resistência, os nós podem ser classificados como:

• articulado (juntas): quando o nó é capaz de transmitir as forças de projeto sem gerar momentos secundários dentro da estrutura. A capacidade rotacional deve ser suficiente para permitir o desenvolvimento da articulação plástica;
• de completo restabelecimento de resistência: quando o nó é capaz de transmitir as características de solicitação últimas do elemento menos resistente que converge no nó;
• de restabelecimento parcial da resistência: quando o nó é capaz de transmitir as características de solicitação de projeto, mas não aquelas últimas do elemento menos resistente que converge no nó.

Classificação em função dos elementos estruturais conectados

Na perspectiva de uma possível classificação dos nós que se formam dentro de uma estrutura em aço, é possível identificar:

• conexão viga-coluna: são tipicamente sede de articulações plásticas em um eventual mecanismo de colapso da estrutura. Entre os dois elementos convergentes no nó, a coluna representa o elemento mais fraco em função dos fenômenos de instabilidade. Tal conexão tem frequentemente a função de transmitir os momentos fletores de uma viga para a adjacente, confiando à coluna as ações cortantes e uma fração do momento fletor. As juntas viga-coluna sujeitas a altos valores de momento fletor são típicas das estruturas treliçadas. Para elas, os nós podem ser:
  • de completo restabelecimento,
  • de completo restabelecimento das apenas capacidades flexionais,
  • de restabelecimento parcial com capacidade de rotação suficiente.

Para o projeto de uma estrutura treliçada resistente a sismos, deve-se obter um mecanismo dúctil através da ativação das articulações plásticas localizadas nas extremidades das vigas e na base das colunas do primeiro andar, evitando mecanismos de piso macio. Nesse caso, as regras de hierarquia viga-coluna podem ser menos severas do que as verificações ao estado limite de dano, sendo o projeto sísmico dos quadros condicionado pelas limitações dos deslocamentos laterais, assim como pelas limitações dos efeitos desestabilizadores devido às cargas laterais. É, portanto, necessário realizar nós capazes de garantir uma alta ductilidade e uma adequada rigidez flexional nos casos em que a limitação da deformabilidade lateral se mostrar particularmente restritiva.

• conexão viga-viga: entre os dois elementos convergentes no nó, é possível identificar, na maioria dos casos, uma viga principal e uma viga secundária. Entre os dois elementos convergentes, prefere-se realizar um nó articulado utilizando suportes angulares e parafusos. A conexão entre a viga secundária e a viga principal através do nó articulado é capaz de garantir a transferência do esforço cortante da alma da viga secundária para a alma da viga principal. Dependendo dos elementos constituintes da conexão, é possível realizar juntas de completo restabelecimento da resistência tanto flexional quanto cortante, juntas de completo restabelecimento da apenas resistência flexional (com os devidos cuidados) e juntas de restabelecimento parcial da resistência flexional que permitam rotações.
  

  Exemplo de nó viga coluna

• conexões de contra-ventos: alguns nós trave-coluna são tornados mais complexos pela presença das diagonais de contra-vento. Sua forma e tipologia variam conforme os perfis utilizados. É possível identificar duas tipologias de contra-ventos:
  • Contra-ventos concêntricos: em função da orientação da diagonal e da tipologia de conexão introduzida, a deformada pós-crítica da diagonal pode ser caracterizada pela formação de dobradiças plásticas próximas a flexões no centro da diagonal ou também nas duas extremidades. As conexões nas extremidades dos contra-ventos devem ser projetadas para favorecer a instabilidade em compressão, que representa uma típica modalidade de danificação. A energia sísmica dentro das estruturas sísmicas resistentes contra-ventadas é dissipada através da plasticização das diagonais sujeitas a tração. As principais tipologias de conexão para as estruturas a contra-ventos concêntricos são:
    • Conexão diagonal-trave-coluna;
    • Conexão diagonais-traves (contra-ventos com V invertida);
    • Conexão diagonal-diagonal (contra-ventos em X).
  • Contra-ventos excêntricos: a dissipação da energia sísmica ocorre através da plasticização do link, enquanto as diagonais do contra-vento devem ser projetadas para permanecer estáveis em campo elástico. Ao contrário dos contra-ventos concêntricos, as conexões das diagonais deverão ser concebidas para restringir as deformações flexionais tanto no plano quanto fora do plano. As principais tipologias de conexão para as estruturas a contra-ventos excêntricos são:
    • Conexão diagonal-trave;
    • Conexão link-coluna;
• conexões coluna-fundação: o nó de base das colunas pode ser comprimido, pré-inflado e com presença simultânea de ação cortante. As solicitações a serem consideradas no projeto do nó são aquelas decorrentes do esquema de cálculo adotado. É possível identificar uma série de problemas na modelagem do nó de base, como a verificação das dimensões geométricas em planta da placa base, a posição e o diâmetro dos tirafundos, o dimensionamento e a espessura da placa de base e das eventuais nervuras, a transmissão das forças cortantes.

Classificação dos nós em aço com base nas forças transmitidas

Em função das solicitações transmitidas pelo nó, é possível identificar:

• conexão a corte: é um nó que permite a transmissão das forças de corte entre dois elementos através de uma conexão parafusada. Em geral, são utilizados para conectar vigas com outras vigas ou com colunas (solicitações no nó: corte e tração);
• conexão a momento: é um nó capaz de transmitir as solicitações devido ao momento fletor tipicamente entre uma viga e um pilar. Esse tipo de conexão representa uma alta rigidez tanto em termos de translação quanto de rotação;
• conexão a tração: é um nó que permite a transmissão dos esforços de tração à estrutura. Um exemplo típico pode ser dado pelas diagonais dos elementos de contra-vento.

Que tipo de verificação deve ser realizada nos elementos do nó em aço

As verificações dos elementos que constituem o nó em aço a serem realizadas são:

• verificação a corte do parafuso;
• verificação a tração do parafuso;
• verificação a refilamento da chapa de união e do elemento conectado;
• verificação a punção da chapa de união e do elemento conectado;
• verificação a corte e tração.

Essas verificações podem ser realizadas utilizando duas abordagens possíveis: uma que utiliza as formulações apresentadas na literatura e outra que se vale da análise FEM da conexão.

É importante ressaltar que a abordagem simplificada proposta na literatura é aplicável apenas em condições preestabelecidas e decisivamente restritivas do ponto de vista geométrico/projetual e, além disso, leva a um grau de aproximação dos resultados não desprezível.

Utilizar uma modelagem por elementos finitos de uma conexão em aço, além de permitir a máxima liberdade geométrica dos elementos que convergem dentro do nó (afinal, com uma análise FEM “se você pode desenhar, você pode calcular!”), possibilita uma otimização dos materiais envolvidos com uma considerável economia também em termos econômicos (chapas de dimensões e espessuras menores, um número menor de parafusos envolvidos na conexão) e, sobretudo, uma economia em termos de horas de trabalho por parte do engenheiro estrutural para projetar, calcular e verificar as conexões.

Exemplo prático: cálculo e verificação de nós em aço

Nesta seção é ilustrado um caso de estudo que prevê o cálculo e a verificação de um nó em aço de uma estrutura de nova construção. Para realizar a modelagem da estrutura em aço, foi utilizado o software para cálculo estrutural, enquanto para a modelagem por elementos finitos (FEM) do nó em aço, utilizou-se o software para verificação de nós em aço NeXus.

O edifício é composto por dois andares acima do solo com uma altura de andar de 3,00 m. Os pavimentos são constituídos por lajes em chapa metálica com um lançamento de concreto de altura total de 12 cm. A estrutura em questão é inscrita dentro de um quadrado de lado 9,30 m.
Os elementos verticais suportantes são realizados com perfis HEA 260, as vigas perimetrais são IPE 220, caixas com cantos arredondados de seção 90x90x4.0 e contraventos verticais com diagonais de seção UPN 120 e perfis em L com lados iguais de seção L80x80x10.

Modelo da estrutura em aço executado com o software de cálculo FEM EdiLus

Executado o cálculo da estrutura, passa-se ao projeto e à verificação dos nós em aço. Procedemos com o cálculo de uma conexão viga-pilar-contraventamento que, sendo um nó não incluído nas condições simplificadas apresentadas na literatura, necessita de uma análise aprofundada para sua verificação. Por esse motivo, utilizaremos o auxílio do software de cálculo por elementos finitos (FEM) das conexões de aço NeXus, aproveitando a integração dinâmica presente dentro do EdiLus.

Primeiramente, selecionamos dentro do EdiLus o nó a ser analisado, após o que escolhemos integrar com NeXus. Esta funcionalidade (em breve disponível) nos permite importar dentro do NeXus a geometria das barras convergentes dentro do nó, bem como as solicitações atuantes.

Importação da geometria em NeXus

Dentro do NeXus, será possível editar a conexão realizando os cortes entre os elementos convergentes, inserir placas, parafusos e soldas. O revolucionário input 3D permite projetar qualquer tipo de conexões de aço de forma simples e rápida.

Inserção dos elementos que constituem o nó

1. Inserção dos planos de corte
2. Inserção das chapas
3. Inserção dos parafusos
4. Inserção das soldagens

Ao final das operações de inserção dos elementos, é possível visualizar o resultado final.

Modelo do nó finalizado

Uma vez concluída a inserção dos objetos que definem o nó, é possível executar o cálculo do modelo da conexão e observar os resultados do cálculo.

Resultados do cálculo dos nós conexões de aço

1. Modelo estrutural
2. Resultados do cálculo: deslocamentos
3. Resultados do cálculo: tensões
4. Resultados do cálculo: deformações

Dos resultados do cálculo, conclui-se que as verificações estão todas satisfeitas, respeitando plenamente as indicações normativas (D.M. 2018 e Circular 2019).

Após a execução do cálculo, serão gerados os detalhes executivos, as tabelas de cálculo e os relatórios. Também será possível retornar ao EdiLus, trazendo para dentro do modelo geral da estrutura os detalhes construtivos e as tabelas que serão automaticamente integradas aos documentos projetuais.

Aproveitando a integração dinâmica entre EdiLus e NeXus, é possível produzir todos os documentos necessários para o depósito junto aos órgãos competentes dos resultados do cálculo e de sua validade.

O uso combinado de EdiLus e NeXus da ACCA software garante ao projetista estrutural o projeto de qualquer estrutura em aço e dos respectivos nós, dos mais simples aos mais complexos!

Novidades do software

A nova versão do NeXus traz consigo uma série de importantes novidades que tornarão o software ainda mais poderoso e eficiente.

As principais funcionalidades adicionadas incluem:

• análise não linear: graças ao modelo 3D da união, agora é possível executar rapidamente o cálculo por elementos finitos e analisar o comportamento elasto-plástico dos elementos através do cálculo não linear;
• escolha dos Eurocódigos como norma de cálculo: agora é possível selecionar os Eurocódigos como norma de cálculo, aplicando as indicações presentes nos anexos de diferentes países, incluindo Europa, Inglaterra, França, Alemanha, Portugal, Espanha, Cingapura, Croácia e Eslovênia;
• cálculo paralelo multicore para a análise não linear: a nova especificação permite aproveitar as capacidades multicore dos processadores modernos, permitindo um cálculo simultâneo em vários processos. Isso reduz significativamente os tempos de cálculo, especialmente durante a análise não linear.

Se você quer entender plenamente como aproveitar essas potencialidades para o projeto de conexões de aço, recomendo que solicite imediatamente uma demonstração do software para a verificação dos nós em aço!