Introdução

A ABNT NBR 8800:2024 (Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edificações) define como parafusos de alta resistência os parafusos ASTM A325 e ISO classe 8.8, e parafusos mais resistentes como ASTM A490 e ISO 10.9. Tais parafusos são comumente empregados em ligações principais de estruturas de aço e seu uso inclui ligações protendidas e por atrito. Suas características favorecem o emprego em estruturas de aplicação industrial, sujeitas a cargas cíclicas (fadiga), impacto ou com nível elevado de vibração.

O dimensionamento correto dos parafusos de alta resistência, a especificação do tipo de aperto e a definição do método de instalação são cruciais para garantir a integridade das estruturas metálicas. A simples falha de um parafuso pode ser suficiente para levar toda a estrutura a um colapso. Além disso, a perda de aperto em parafusos pode resultar em aumento de vibração no ativo ou facilitar o processo de corrosão na ligação.

Desta forma, torna-se evidente que o projeto adequado das ligações parafusadas e a correta instalação na montagem proporcionam o aumento da segurança do ativo e a redução dos custos de manutenção da estrutura. Neste artigo, serão abordados conceitos e requisitos relacionados às ligações parafusadas com referências à NBR 8800:2024. Entretanto, é válido ressaltar que tais princípios, mundialmente reconhecidos há anos, também são encontrados nas principais normas internacionais de estruturas metálicas, tais como AISC 360, RCSC Specification e Eurocode.

Protensão x Torque

Um erro muito comumente observado ao discutir a instalação de parafusos é a não diferenciação entre os conceitos de protensão e torque de parafusos. Ambos os termos são comumente utilizados para tratar do nível de aperto do parafuso, mas não compartilham o mesmo significado e podem gerar resultados muito diferentes em uma mesma ligação. Compreender a diferença entre os dois conceitos é muito importante no projeto e instalação de ligações parafusadas.

A protensão inicial é o nível de tração do parafuso após a instalação da junta parafusada, sendo o resultado do alongamento do parafuso devido ao aperto. Essa força comprime os elementos da junta um contra o outro, gerando a força de união. A protensão inicial é, verdadeiramente, a medida do nível de aperto do parafuso. Entretanto, obter uma medida direta da protensão de um parafuso durante sua instalação envolve métodos mais sofisticados, que em muitas aplicações são substituídos por um método indireto e mais simples.

Mais conhecido pelo público geral, o torque é a medida do esforço empregado para rotacionar a porca em relação ao parafuso. O torque aplicado à parte girante é convertido em um aumento no nível de protensão do parafuso, mas também é resistido pelo atrito entre as roscas da porca e do parafuso e entre a cabeça da porca e a arruela. Desta forma, o torque é uma medida indireta da protensão que só é capaz de garantir precisão quando o nível de atrito entre as partes é conhecido.

Os esforços de torque e protensão são ilustrados a seguir, na Figura 1.

                                                                                                   Figura 1: Representação de torque e protensão.

Tipos de ligações parafusadas e aplicações

As ligações parafusadas podem ser especificadas e instaladas de diferentes formas, separadas pelo tipo de aperto (normal ou protendidas) e pela forma de transmitir o esforço de cisalhamento (por contato ou por atrito). Entender a diferença entre os tipos de ligações e suas aplicações é essencial para um projeto seguro e econômico de estruturas metálicas.

A primeira diferenciação ocorre para o tipo de aperto. Conforme a NBR 8800:2024, ligações com aperto normal não exigem um nível mínimo de protensão inicial, sendo necessário garantir apenas o firme contato entre as partes ligadas. As ligações protendidas, por sua vez, devem ser instaladas de forma a garantir que o nível de protensão inicial especificado em projeto seja atingido na instalação do parafuso. As normas de estruturas metálicas indicam valores mínimos de protensão equivalentes a cerca de 70% da resistência nominal do parafuso à tração.

As ligações parafusadas também são classificadas conforme seu comportamento sob esforços de cisalhamento. Ligações por contato são ligações em que o esforço de cisalhamento é transmitido pelo contato entre as bordas dos furos das chapas e o corpo do parafuso. Assim, neste tipo de ligação, todo o atrito entre as chapas é desprezado na transmissão de esforços. As ligações por contato podem ser instaladas com aperto normal ou protendidas.

As ligações por atrito são projetadas para transmitir os esforços de cisalhamento pelo atrito entre as chapas. Isso é garantido pela força de união gerada pela protensão do parafuso, que comprime uma chapa contra a outra, e pelo coeficiente de atrito das chapas. As ligações por atrito são ligações mais complexas e com custo mais elevado que as demais, uma vez que exigem a utilização de parafusos protendidos e a preparação das superfícies conectadas para garantir um coeficiente de atrito mínimo coerente com o valor especificado no projeto. Além disso, a força resistente de ligações dimensionadas por atrito é menor que a força resistente de ligações por contato. Por esse motivo, seu uso é indicado somente em casos específicos, nos quais o deslizamento da ligação pode apresentar algum risco para a integridade e/ou bom funcionamento da estrutura.

A seguir, na Figura 2, são mostrados os tipos de ligações parafusadas, com alguns exemplos de aplicação.

                                                                                            Figura 2: Aplicações dos tipos de ligações parafusadas.

Métodos de instalação de ligações parafusadas

A NBR 8800:2024 permite o uso de diferentes métodos de instalação de parafusos com protensão inicial. Nesta seção, os principais serão abordados brevemente.

A primeira etapa de instalação em ligações protendidas, independentemente do método adotado, compreende a aplicação de uma pré-protensão aos parafusos da ligação, de forma a assegurar que todas as partes estejam em pleno contato. Essa condição pode ser atingida com o esforço máximo de um operário com uma chave normal ou por poucos impactos de uma chave de impacto. A condição de pré-protensão é suficiente para juntas parafusadas especificadas com aperto normal, isto é, sem protensão inicial mínima especificada.

O aperto com chave calibrada ou com torquímetro é o método de instalação mais conhecido e utilizado para ligações protendidas. O método consiste na aplicação de um torque definido às porcas, após a devida compactação da junta na etapa de pré-protensão. Para isso, é necessário obter a relação entre a protensão desejada e o torque mínimo para a obtenção desta força de união. Conforme mencionado anteriormente, o torque é uma medida indireta da protensão no parafuso, sendo influenciada, dentre outros fatores, pelo acabamento, lubrificação e limpeza das partes com movimento relativo. Por esse motivo, a utilização de tabelas padronizadas de torque não é permitida e o valor de referência para instalação deve ser definido a partir de testes definidos em norma.

Outro método frequentemente aplicado na instalação de ligações parafusadas protendidas é o método da rotação da porca. Neste método, após a pré-protensão dos parafusos, o aperto final é dado ao aplicar uma rotação relativa entre a porca e o parafuso. O valor da rotação adicional aplicada é definido em norma em função das dimensões do parafuso e configuração da junta. Este é um método reconhecidamente mais confiável que métodos controlados por torque, visto que a protensão é obtida pela deformação axial do parafuso (proporcional ao passo das roscas) levando o elemento ao regime inelástico, com uma protensão inicial superior à mínima requerida por norma. O método da rotação da porca é ilustrado na figura a seguir.

                                                                                                        Figura 3: Método da rotação da porca.

Além dos métodos mencionados, também existem métodos mais sofisticados de instalação de parafusos, como o uso de um indicador direto de tração ou de parafusos com controle de tração. O primeiro método utiliza arruelas especiais projetadas para se deformarem sob uma carga de compressão especificada, indicando que a protensão desejada foi atingida no parafuso. Já os parafusos com controle de tração possuem uma espiga na ponta projetada para se romper quando o parafuso atinge a protensão requerida. Os elementos citados são ilustrados a seguir, na Figura 4.

                                                                  Figura 4: Arruela para indicador direto de tensão e parafuso com controle de tração.

Conclusão: Maior segurança no projeto e instalação de ligações parafusadas

Ligações parafusadas são pontos críticos em estruturas metálicas cujas falhas pode resultar em um colapso global. O dimensionamento correto da ligação e a especificação adequada de seu tipo no projeto são cruciais para assegurar a integridade do ativo. Entretanto, para minimizar os riscos estruturais e garantir que a ligação se comporte conforme projetado, é necessário que a montagem siga métodos confiáveis e adequados à instalação nas condições da obra.

O acompanhamento e revisão independente do projeto, em conjunto com inspeções de fabricação e acompanhamento de montagem, são ferramentas essenciais para a certificação da qualidade da estrutura.

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