Prolongamentos são chamadas as ligações que servem para alongamento ou aumento. Os prolongamentos são, por exemplo, necessários porque os comprimentos ou larguras laminados disponíveis não são suficientes; na montagem, são necessários para limitar as dimensões e o peso de certos elementos transportados. Cintas são chamadas as chapas que cobrem a interrupção no prolongamento. Todas as outras ligações, especialmente as entre barras da treliça em várias direções e apoios em diferentes planos, são designadas como ligações.
Nos prolongamentos habituais, dimensionam-se as cintas e os rebites dos prolongamentos em função da força total. Por isso, no prolongamento normal não se exige que as superfícies dos prolongamentos se toquem.
A principal área de aplicação das barras tracionadas e comprimidas (isto é, barras retas, solicitadas predominantemente por forças normais) é representada pelas treliças. As considerações desta secção desconsideram o perigo de flambagem das barras comprimidas. Em primeiro lugar será analisada a resistência estática.
Desconto dos furos em barras tracionadas
Capacidade de carga: O estado de tensão numa barra tracionada é significativamente alterado localmente devido aos furos/aberturas. Na região de proporcionalidade, a distribuição das tensões corresponde à secção enfraquecida (fig. 1). A maior tensão longitudinal numa barra retangular é, segundo A. Henning:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
Fig. 1 - Tensões longitudinais e transversais numa barra furada a) segundo A. Henning; b) segundo M. Rudeloff
No caso limite d/b = 0 de lâminas muito largas, resulta daí maxσ = 3σm e, no caso mostrado na fig. 1a, d/b = 1/3 é maxσ = 2,42 σm. Além da tensão longitudinal, existem também tensões transversais e de corte. A maior solicitação ocorre na superfície do furo. Aí surgem as primeiras deformações permanentes, ou seja, os picos de tensão são eliminados e ocorre a equalização das tensões na secção. Deformações permanentes visíveis na zona dos furos só surgem quando a tensão média σm na secção enfraquecida ultrapassa o limite de escoamento σFO. A dilatação total da barra, para SF = Fm * σF, é apenas ligeiramente maior do que numa barra sem furos. (Fm é a área da secção mais fraca)
Nos ensaios de tração com barras rebitadas, a ruptura ocorre sempre nas seções enfraquecidas. O esforço de ruptura é, em condições usuais, suficientemente preciso SB = Fn * σB. Ensaios de ruptura em barras tracionadas com furos abertos mostraram imagens de ruptura como na fig. 2.
Sl. 2 - Imagens da rotura de barras tracionadas
Em ensaios com ligações rebitadas, demonstrou-se que as emendas com tirantes com uma fila de rebites têm menor resistência do que as emendas com várias filas de rebites sucessivas. Assim, a tensão média de rotura σB na secção útil era de:
Procedimento de dimensionamento para barras tracionadas: Segundo o método de cálculo habitual, para a tensão média de tração deve verificar-se σm = S/Fm ≤ dozσ, e isso em todas as secções relevantes Fm. A dedução dos furos determina-se para a secção perpendicular com o maior número de furos, podendo acontecer que uma secção fraturada com mais furos forneça um valor menor de Fm (fig. 2). Nesse sentido, nos perfis laminados Fm é calculado com o desenvolvimento. Em secções compostas procede-se no mesmo sentido.
Em geral, a relação Fm/F situa-se entre 0,8 e 0,9, isto é, a dedução das aberturas ΔF = F – Fm corresponde de 10% a 20% da secção total F da barra. Em obras de grandes dimensões, ΔF influencia fortemente o peso, pelo que vale a pena encontrar secções com menor dedução de aberturas.
Deformações: O alongamento elástico de barras tracionadas com furos é apenas ligeiramente maior do que o de barras comparáveis não perfuradas. O alongamento total das emendas é quase igual ao das lâminas emendadas. Por isso, para o cálculo das deformações de estruturas de aço, basta determinar os alongamentos elásticos com os valores E e F das barras não enfraquecidas. A segurança contra escoamento é maior nas barras enfraquecidas do que, por exemplo, nas barras comprimidas.
Distribuição das forças nos rebites
Fig. 3
A distribuição da força S na barra pelos vários rebites da ligação depende das suas propriedades elásticas; ela é “estaticamente indeterminada”. No caso da fig. 3, a distribuição N1, N2, … depende da deformação dos rebites e das chapas ligadas; ela altera-se com a relação Ftirante/Fbarra. Para Ftirante ≠ Fbarra, as forças extremas nos rebites já não são igualmente grandes (fig. 50a). Com a diminuição da relação Ftirante/Fbarra, Nn torna-se menor, N1 aproxima-se de S. A união de lâminas de espessuras muito diferentes (fig. 4b) não é adequada devido à sobrecarga do primeiro rebite.
Fig. 4 - Carga dos rebites para Fvarão > Ftirante
As lâminas e os tirantes são rígidos, apenas os rebites são elásticos (fig. 5a). Então todos os rebites têm a mesma flexão, e todas as forças nos rebites devem ser iguais.
Os rebites rígidos, apenas as chapas e os tirantes elásticos (fig. 5b). Como os alongamentos no varão e nos tirantes entre o primeiro e o último rebite devem ser iguais, segue-se N2 = N3 = … = Nn-1 = 0, com exceção de N1 = S * x1.
Fig. 5
A distribuição real das forças situa-se entre estes casos-limite. Se a carga aumenta, surge primeiro deformação permanente nos rebites das extremidades, os rebites mais solicitados aliviam-se e a distribuição das forças torna-se cada vez mais uniforme. Após o aparecimento de deformações maiores, a distribuição das forças aproxima-se do caso em que as lâminas e os tirantes são rígidos, isto é, as forças nos rebites são quase todas iguais, no caso em que é determinante o cisalhamento dos rebites.
Carga de rotura: O modo de fixação dos rebites praticamente não influencia τBV. A resistência ao corte τBV da ligação é, na prática, independente do número de rebites, da sua disposição e da forma da ligação rebitada; a carga de rotura corresponde, com boa aproximação, ao carregamento uniforme de todos os rebites. As mesmas afirmações valem, aliás, também para as ligações correntes com parafusos, do que se pode concluir que a resistência ao deslizamento não tem influência essencial na capacidade resistente.
Dimensionamento: Nas estruturas de aço e nas barras carregadas centricamente, o cálculo é feito por distribuição uniforme, ou seja, por cada rebite N = S/n. Como, em extensões longas, os primeiros rebites ficam já cedo sobrecarregados, deve-se, sempre que possível, evitar mais de 6 rebites consecutivos.
Resistência ao deslizamento: O deslizamento em juntas ocorre já com um carregamento relativamente pequeno. A resistência ao deslizamento depende, em primeiro lugar, da força de aperto, que varia sob अनेक influências. Ela é desconsiderada no dimensionamento de ligações com rebites e dos parafusos habitualmente utilizados até agora. Chamam-se a atenção para ligações com parafusos de alta resistência.
Distribuição das forças nos rebites ao longo da largura: Com distâncias iguais entre rebites, perpendicularmente à direção da força (fig. 6a), a cada rebite correspondem faixas de área transversal com igual largura a; portanto, em primeira aproximação, as forças nos rebites N = a t σ são iguais. A distribuição em caso de espaçamentos desiguais entre rebites é estaticamente indeterminada; no caso da fig. 6b, ela é feita segundo a lei da alavanca.
Fig. 6
Zatezna šipka
Continuação: Continuação com cintas simétricas (fig. 3 e 4). A força S na barra no ponto de emenda deve ser suportada apenas pela cinta. As juntas na emenda devem também ser dimensionadas de acordo com S, porque têm de transmitir toda a força da barra emendada para as cintas.
As emendas com cobertura unilateral estão associadas a consideráveis tensões adicionais de flexão nas chapas ligadas, nas coberturas e nos rebites. A cobertura unilateral das emendas, devido às grandes deformações, só se aplica (fig. 7) quando a barra é rígida à flexão ou quando é mantida lateralmente de modo a não poder fletir.
Fig. 7
Emenda indireta – Quando as tiras de união não podem assentar diretamente sobre as chapas emendadas, os rebites e as chapas ficam submetidos a tensões de flexão consideravelmente maiores. Por isso, em função do número de camadas intermédias m, escolhe-se um número maior n’ de rebites do que o número n no recobrimento direto das emendas.
Fig. 8
Nas secções compostas, as chapas de ligação são dispostas de modo a evitar aumentos locais de tensão; por isso, as áreas individuais das chapas de ligação são determinadas de acordo com a área da parte da secção que elas cobrem, de preferência mantendo a posição do centro de gravidade. As distribuições das áreas das chapas de ligação que se afastam disso estão associadas a alterações na distribuição das tensões. Na fig. 9 é mostrada a continuação de uma barra de uma única alma, na fig. 10 de uma barra de duas partes com 4 chapas verticais e uma aba entre cantoneiras.
Fig. 9
Fig. 10
Ligação: Para as ligações de barras tracionadas valem, em princípio, as mesmas relações que para a emenda. Ensaios mostraram a grande vantagem da introdução simétrica da força. No caso de ligação unilateral, ocorre forte flexão no sentido longitudinal e transversal (fig. 11). Apesar das consideráveis tensões adicionais de flexão, as barras em L e C ligadas unilateralmente podem ser aproveitadas quase totalmente. A capacidade resistente de uma ligação pode cair pela metade se não forem adotadas medidas para equalizar os momentos adicionais de flexão.
Fig. 11
Para a cobertura das emendas não se devem utilizar chapas nodais; para isso, devem ser previstas coberturas especiais. A ligação à chapa nodal é facilitada quando a maior parte da secção da barra coincide com o plano da chapa nodal.
Fig. 12 - Ligações com e sem cantoneira de ligação
Barras comprimidas
Para a emenda e ligação de barras comprimidas valem os mesmos princípios que para as barras tracionadas, e nelas também a força total é transmitida por rebites e talas, isto é, em função da área total F da barra dimensionam-se Ftalas e Fs, resp. Fl. Por regra, as superfícies de emenda não são ajustadas. Nas estruturas metálicas de edifícios, nos pilares que atravessam vários pisos, carregados apenas à compressão, utiliza-se a possibilidade de passagem com menor sobreposição das emendas. A capacidade resistente das barras comprimidas esgota-se, se antes não ocorrerem casos de instabilidade, o mais tardar ao atingir o limite de escoamento, porque então surgem grandes deformações e a barra flamba lateralmente. Os furos preenchidos por rebites não têm, nesse caso, qualquer influência mensurável no comportamento da barra.
Resistência à fadiga das ligações rebitadas
Para a resistência à fadiga de ligações rebitadas, são em primeiro lugar determinantes os picos de tensão que surgem nos furos. A resistência à fadiga é consideravelmente reduzida já pelos próprios furos. Barras com furos abertos partem-se, nos ensaios de fadiga à tração, nas secções enfraquecidas, e a rotura por fadiga começa com fissuras na borda do furo, que se prolongam continuamente através da secção. Por isso, os furos lisos são de particular importância. Na fig. 13 é apresentada a resistência à fadiga de barras planas em diferentes classes (à direita, a classe de aço superior). Em carregamentos prévios maiores σu, ambos os materiais suportam resistências à fadiga σDz acima do limite de escoamento. A amplitude de tensão é, para ambas as classes, aproximadamente igual.
Fig. 13 - Resistência à fadiga σDz
Za naizmenično opterećenje na zatezanje i pritisak zakovanih veza važe u osnovi slične zavisnosti kao i za jednosmerna opterećenja. Vredi primetiti da je amplituda napona pod naizmeničnim opterećenjem velika oko 1,5 puta (sl. 14), ali da su zakivci pod ovim opterećenjem očigledno više ugroženi nego pod jednosmernim opterećenjem.
Fig. 14 - Resistência à fadiga à tração de ligações rebitadas