Avaliação da Resistência a tração de ligações aparafusadas em inox

1. INTRODUÇÃO

O aço inoxidável vem sendo utilizado em vários tipos de construções devido as suas características de alta resistência à corrosão, durabilidade, resistência ao fogo, facilidade de manutenção, aparência e estética, sendo o seu uso em membros estruturais de uma construção limitado pelo seu alto custo. Porém com a sua utilização cada vez mais frequente e a constante redução dos seus custos, servem de forte estímulo para que investigações mais profundas do comportamento mecânico do aço inoxidável sob os diversos aspectos, sejam cada vez mais frequentes.

Considerando que atualmente o conceito de durabilidade e sustentabilidade na construção ganhou muito mais importância, o aço inoxidável passa a ser o material promissor para as construções correntes, conforme pode ser observado na Ponte de Stonecutters. Esta ponte possui o segundo maior vão do mundo, medindo 1018 m, localizada na cidade de Hong Kong na China (Figura 1), com previsão de durabilidade, ou seja, de dispensa de manutenção, por um período de 120 anos. Isto deve-se ao fato de que os pilares serão constituídos de estruturas mistas, ou seja, perfis de aço inoxidável preenchidos com concreto.

Figura 1 Stonecutters Bridge - China (http://www.arup.com/bridges/project.cfm?pageid=2134, 2008)

2. IMPORTÂNCIA DAS LIGAÇÕES

As ligações estruturais desempenham um papel fundamental no comportamento global das estruturas de aço. Buscando-se entender o comportamento real de uma ligação aparafusada constituída em aço inoxidável, muitos trabalhos de pesquisa têm sido desenvolvidos.

A principal motivação destes trabalhos de pesquisa objetiva buscar a estrutura mais econômica resultante de um projeto mais coerente das ligações, bem como a melhoria dos processos de fabricação com respectiva redução dos custos de execução. Com o entendimento do comportamento real das ligações aparafusadas constituídas de aço inoxidável, torna-se possível o desenvolvimento de novas recomendações de projeto. A Figura 2 apresenta um exemplo típico de ligação aparafusada em aço inoxidável realizada na estrutura do Aeroporto Sá Carneiro, na cidade do Porto, em Portugal. Figura 2 Ligação em aço inoxidável  3. TIPO DE LIGAÇÃO APARAFUSADA  A utilização de ligações aparafusadas alternadas tem se mostrado de grande importância no projeto de estruturas de aço possibilitando uma maior redução nos custos de fabricação e montagem.  4. METODOLOGIA DE DIMENSIONAMENTO  A metodologia de cálculo das ligações alternadas constituídas de aço inoxidável considera a presença desta grande deformação, impondo apenas uma limitação, através do escoamento da seção bruta. Este estado limite último associa-se a resistência plástica da ligação aparafusada para o esforço axial máximo que esta poderá suportar, mantendo os procedimentos aplicáveis válidos para o aço carbono. Vale ressaltar que não existe nenhum fundamento para justificar este limite empírico, a não ser de garantir que a ligação ainda seja resistente mesmo sobre a grande deformação imposta. Vale lembrar que existem alguns tipos de estruturas onde o esforço axial proveniente das ligações é muito alto podendo ser melhor dimensionadas com aço inoxidável, fato que motiva uma melhor investigação do seu comportamento.

5. ENSAIOS EXPERIMENTAIS 

Foram considerados ensaios de ligações aparafusadas sem excentricidade em relação ao centro de gravidade da seção transversal, buscando avaliar os limites e efeitos no comportamento da ligação. Para isto foi usado o esquema apresentado nas Figuras 3 e 4, respectivamente.

Figura 3 Esquema de ligação

a) vista de frente 

b) vista lateral

Figura 4 Esquema da ligação aparafusada alternada

6. ANÁLISE DOS RESULTADOS DOS ENSAIOS EXPERIMENTAIS

Neste trabalho foi comprovada a diferença no comportamento mecânico entre os dois aços, conforme curvas tensão versus deformação retiradas de um ensaio a tração mostradas na Figura 5. Verificou-se também, a grande ductilidade apresentada pelo aço inoxidável em relação ao aço carbono nos ensaios dos corpos-de-prova, mostrado na Figura 6.

Figura 5 Curvas tensão versus deformação aço carbono e aço inoxidável

Figura 6 Ensaios de corpos-de-prova

Observou-se que em ambos os ensaios, o estado limite de ruptura da seção líquida (seção com dois furos mais próxima da emenda das placas de 15 mm) controlou a carga última da ligação conforme pode ser observado na Figura 7. De acordo com o dimensionamento efetuado através de equações normatizadas, as resistências obtidas para os estados limites últimos da ligação no que diz respeito a plastificação da seção bruta ou ruptura da área líquida com coeficientes de ponderação tomados iguais a 1,0, foram respectivamente, para o aço carbono de 386,79MPa e 478,68MPa e para o aço inoxidável, 350,62MPa e 710,72MPa. Estes valores foram obtidos usando os valores medidos das tensões de escoamento e ruptura, respectivamente, obtidos nos ensaios

dos corpos de prova da Figura 6.

Figura 7 Ruptura da área líquida

Desta forma, verifica-se que, principalmente para o aço inoxidável, a carga última obtida no ensaio foi bastante superior a obtida através do Eurocode 3, part 1.4 (2003). Verificou-se também, a grande ductilidade apresentada pelo aço inoxidável em relação ao aço carbono nos ensaios dos corpos-de-prova, mostrados na Figura 6.

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

O presente trabalho teve como objetivo avaliar a resistência a tração de elementos estruturais aparafusados em aço inoxidável. A metodologia empregada consistiu, em uma primeira etapa, da revisão das normas de dimensionamento de elementos de aço inoxidável sob solicitação de tração onde se destacou o Eurocode 3, parte 1.4 (2003). Isto se seguiu com a execução de ensaios pioneiros envolvendo comportamento de chapas aparafusadas de aço carbono e inoxidável sob tração.

Para os ensaios das ligações aparafusadas de chapas constituídas em aço inoxidável, as principais conclusões obtidas foram:

Os ensaios em aço inoxidável apresentaram grandes deformações e grande capacidade de absorção de energia devido a sua capacidade de encruamento em função da maior razão entre a tensão última e a tensão limite de escoamento (fu/fy).

O modo de ruína e a carga última esperados, através do Eurocode 3 (EUROCODE 3, 2003), para os ensaios da ligação aparafusada constituída de aço inoxidável, não aconteceram, apresentando experimentalmente valores de carga última bem superiores aos da norma, estando o dimensionamento muito a favor da segurança, evitando, com esta carga inferior de ruptura, o aparecimento de grande deformação, característica dos aços inoxidáveis, porém não contemplando, de uma forma intermediária, a maior capacidade de carga do aço inoxidável.

Considerando que a norma opta por evitar uma grande deformação da ligação aparafusada constituída de aço inoxidável, através da utilização do limite de escoamento da seção bruta como carga última para o cálculo, uma melhor avaliação da formulação, através de novos ensaios, com análise das relações entre os diversos parâmetros faz-se necessária. Finalmente, de posse de mais resultados, torna-se possível a realização de uma análise paramétrica identificando o efeito de cada um dos parâmetros. Estes dados possibilitarão uma nova formulação de dimensionamento a ser inserida em normas de dimensionamento de estruturas constituídas de aço inoxidável.

por João de Jesus dos Santos
(Texto resumido a partir da dissertação de mestrado, defendida 19/11/2008 na Universidade do Estado do Rio de Janeiro, UERJ, com o título "Comportamento estrutural de elementos em aço inoxidável". Orientador: Pedro Colmar Gonçalves da Silva Vellasco. Co-orientadores: Luciano Rodrigues Ornelas de Lima e Sebastião Arthur Lopes de Andrade)