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A resistência ao rolamento é um conceito fundamental no projeto de conexão de aço estrutural que influencia diretamente a segurança, desempenho e longevidade das estruturas de aço. Quando as barras de aço são unidas usando conexões aparafusadas, a interação entre o parafuso e o material da placa circundante cria tensões de compressão localizadas conhecidas como tensões de rolamento. Entender como essas tensões se desenvolvem, como elas afetam o comportamento da conexão e como projetar adequadamente para a resistência do rolamento é essencial para engenheiros estruturais que trabalham com a construção de aço.

Este guia abrangente explora o papel crítico da resistência do rolamento no projeto de conexão de aço, examinando os princípios fundamentais, métodos de cálculo, modos de falha, considerações de projeto e melhores práticas que garantem conexões estruturais robustas e confiáveis.

O que é a força de rolamento em conexões de aço?

A resistência do rolamento é particularmente importante para conexões, juntas e pontos de transferência de carga onde são aplicadas forças concentradas, determinando a capacidade de carga de conexões aparafusadas, rebitadas ou presas em estruturas de aço. Ao contrário da resistência à tração ou à compressão que considera toda a seção transversal de um membro, a resistência do rolamento se concentra especificamente em áreas de contato localizadas, tornando-se uma propriedade única e essencial no projeto de conexão.

As tensões desenvolvidas quando dois corpos elásticos são forçados juntos são chamadas de tensões de rolamento, e são localizadas na superfície do material e podem ser muito altas devido às pequenas áreas em contato. Em conexões aparafusadas, isso ocorre quando o parafuso carrega contra a superfície interna do furo de parafuso nas placas conectadas.

Distribuição de tensão de rolamento

A tensão média de rolamento fp = P/(db t), onde P é a força aplicada ao fixador. No entanto, este cálculo simplificado assume uma distribuição uniforme de tensão. Na realidade, a intensidade da tensão de rolamento entre o rebite e o furo não é constante, mas varia de zero nas bordas até um valor máximo diretamente na parte de trás do rebite. Apesar desta complexidade, a prática comum de se assumir que a tensão de rolamento seja uniformemente distribuída sobre a área projetada do orifício de rebite proporciona resultados aceitáveis para fins de projeto.

O estado de tensão do rolamento pode ser complicado pela presença de parafuso ou borda próximo, e o espaçamento e distância da borda do parafuso terá um efeito na resistência do rolamento. Esta interação entre parâmetros geométricos e capacidade do rolamento é uma consideração crítica no detalhamento da conexão.

Comportamento material sob cargas de rolamento

No nível microestrutural, a resistência do rolamento se manifesta através da deformação plástica localizada e compactação do material abaixo da superfície de carga, onde as deslocações na estrutura cristalina começam a se mover e se multiplicar, criando planos de deslizamento e eventualmente levando ao fluxo plástico. Esse comportamento de deformação é progressivo e depende fortemente das características de ductilidade e resistência do material.

A resistência ao rolamento normalmente aumenta com a resistência à tração, mas a uma taxa decrescente, e aços ultra-alta resistência podem não mostrar aumentos proporcionais na resistência ao rolamento devido à ductilidade reduzida. Essa relação destaca a importância de considerar tanto a resistência quanto a ductilidade ao selecionar materiais para conexões aparafusadas.

Tipos de conexões e comportamento de rolamentos parafusados

Compreender os diferentes tipos de conexões aparafusadas e como as forças de rolamento se desenvolvem em cada configuração é essencial para o design adequado. O tipo de conexão influencia significativamente os mecanismos de distribuição de tensões e de falha do rolamento.

Conexões de rolamentos

Nas conexões tipo rolamento, a carga é inicialmente transferida por atrito até a ocorrência de deslizamento, após o qual a haste do parafuso e o lado do furo do parafuso entram em contato direto, tensões de rolamento são desenvolvidas nas superfícies de contato, e à medida que a carga aplicada aumenta, tensões de contato aumentam até que a falha do rolamento finalmente ocorra. Este é o tipo mais comum de conexão na construção de aço estrutural.

Devem ser cumpridos dois critérios de resistência distintos: (1) a resistência ao cisalhamento do próprio parafuso; e (2) a capacidade de compressão dos elementos que estão a ser ligados, como os parafusos "urso" na superfície interior dos furos do parafuso.

Conexões Críticas Deslizantes

Nos casos menos comuns em que não se deseja escorregar — por exemplo, em estruturas submetidas a reversão de tensões repetidas — as chamadas ligações de deslizamento crítico são concebidas com base na força de fixação que os parafusos colocam nos elementos de aço que estão a ser ligados, de modo que o atrito entre as superfícies fixadas em conjunto resiste à tendência dos parafusos de deslizarem dentro dos furos de parafuso. O cálculo da resistência dos rolamentos aplica-se tanto às ligações do tipo rolamento como às deslize-críticas.

Eles são necessários principalmente na presença de fadiga com inversão do carregamento, furos de tamanho excessivo, buracos de fenda (exceto quando a carga é normal para o slot), e quando escorregar na superfície faying seria prejudicial ao desempenho da estrutura.

Conexões de Shear Único vs. de dobradiças

Quando o parafuso está em duplo cisalhamento, duas seções transversais são eficazes na resistência à carga, e o parafuso em duplo cisalhamento terá o dobro da resistência ao cisalhamento de um parafuso em único cisalhamento. A configuração do cisalhamento também afeta o comportamento do rolamento, uma vez que a distribuição da carga e as considerações de espessura da placa diferem entre arranjos de cisalhamento simples e duplo.

Para parafusos em corte simples, a espessura que governa é a espessura do elemento mais fino que está sendo unida, enquanto para parafusos em duplo cisalhamento, a espessura relevante é a da peça média, ou as espessuras combinadas das duas partes exteriores (lado) que é menor (assumindo que todos os elementos que estão sendo unidos são feitos do mesmo material).

Modos de falha nas conexões de rolamento

As conexões aparafusadas podem falhar em vários modos distintos, cada um com características e implicações diferentes para o design. Reconhecer esses modos de falha e entender as condições que levam a cada tipo é crucial para criar conexões seguras e eficientes.

Falha de rolamento das placas

Quando um parafuso comum é submetido a forças de cisalhamento, o deslizamento ocorre e o parafuso entra em contato com as placas, e a placa pode ser esmagada, se o material da placa for mais fraco do que o material do parafuso. Este tipo de falha envolve deformação excessiva e eventual esmagamento do material da placa em torno do furo do parafuso.

As tensões de compressão que ocorrem entre o parafuso e a placa são devido a deformações excessivas no parafuso e na placa, e para calcular a tensão de rolamento entre o parafuso e a borda do furo, define-se a suposição de distribuição uniforme de tensões nesta superfície.

Falha de rolamento dos parafusos

O parafuso é esmagado em torno de meia circunferência, a placa pode ser forte no rolamento e a placa tensionada mais pesada pode pressionar a haste do parafuso, embora a falha do rolamento de parafusos geralmente não ocorre na prática, exceto quando as placas são feitas de aço de alta resistência e os parafusos são de aço de grau muito baixo. Este modo de falha é relativamente raro na construção moderna com materiais devidamente especificados.

Fracasso de arrancamento e de arrancamento

O problema do rolamento pode ser complicado pela presença de um parafuso próximo ou pela proximidade de uma borda na direção da carga, o espaçamento e a distância final do parafuso influenciarão a resistência do rolamento, e um possível modo de falha resultante do rolamento excessivo é o corte de corte no final da barra conectada. Este modo de falha ocorre quando a distância insuficiente da borda ou a distância final permite que o material entre o furo do parafuso e a borda da placa para rasgar.

Os corpos de prova apresentaram três modos de falha: corte transversal líquido; rompimento; e rupturas, onde distância final e distância de borda foram dois parâmetros controlados que determinaram os modos de falha. Pesquisas mostraram que os parâmetros geométricos desempenham um papel dominante na determinação de qual modo de falha irá governar.

Fratura de Secção Net

Dois principais modos de falha foram observados nos ensaios de conexão aparafusada, a saber, as falhas de tensão do rolamento e da seção líquida. A fratura da seção líquida ocorre quando a área de secção transversal reduzida nos furos do parafuso não pode sustentar a força de tração aplicada, levando à fratura em toda a seção de rede.

Devido à redução da área da rede (ou seja, devido a furos de parafusos) da placa ao longo da linha de parafusos, a resistência à tração da placa será menor do que o valor real nesta seção, e por isso, a placa pode falhar sob tensão, portanto, torna-se importante calcular a área menos líquida entre diferentes linhas de parafusos para encontrar a menor resistência à tração da placa e verificar se a carga aplicada é segura.

Falha na Distensão de Blocos

A peça pode falhar devido à fratura de tensão ou ao corte de bloqueio, e à falha do rolamento da peça conectada/ligada devido ao rolamento de furos de parafuso. O corte de bloco é um modo de ruptura combinado envolvendo cisalhamento ao longo de um plano e tensão ao longo de um plano perpendicular, resultando em um bloco de material sendo arrancado da conexão.

A resistência característica ao cisalhamento Rn é calculada com base nos estados de rendimento e limite de ruptura ao longo da superfície ou superfícies de cisalhamento e nos estados de limite de ruptura ao longo da superfície de tração. Este modo de ruptura requer cuidadosa consideração em conexões com múltiplas linhas de parafusos e distâncias limitadas de borda.

Padrões de projeto e cálculos de força do rolamento

Várias normas internacionais de design fornecem disposições específicas para calcular a resistência dos rolamentos em conexões de aço. Compreender esses requisitos de código e seus princípios subjacentes é essencial para o design compatível e seguro.

Especificações AISC para a força do rolamento

Resistência ao rolamento de projeto (LRFD J3.10) A resistência da conexão no rolamento é tomada nos furos de parafuso por secção AISC LRFD J3.10, e a resistência do rolamento de projeto no orifício de parafuso é ♦Rn. A especificação AISC fornece equações detalhadas para diferentes tipos de orifício e condições de carga.

A resistência do rolamento de projeto é para carga de serviço quando a deformação é uma consideração de projeto (a deformação da borda do furo é limitada a um máximo de 1⁄4"), e o parafuso também está em conexão com furos padrão, de tamanho excessivo e de lotação curta independente da direção de carregamento, ou um furo de longa duração com o slot paralelo à direção da força do rolamento: Rn = 1.2LctFu ≤ 2,4dtFu.

A resistência disponível para um parafuso no rolamento, Rn/ň = 1,5dbtFu, onde o fator de segurança para o rolamento, ↔ = 2,0. Essas equações são responsáveis pela distância clara entre furos de parafuso ou para a borda da peça conectada.

Especificações do material do parafuso

As designações ASTM A325, F1852 e A-490, a nova especificação ASTM F1852 refere-se aos parafusos frequentemente referidos como controle de tensão, TC, parafusos de torção ou torque e de corte, e os parafusos de alta resistência variam em diâmetro de 1⁄2 a 1 1/2. Diferentes graus de parafuso têm propriedades de resistência diferentes que devem ser consideradas nos cálculos de rolamento.

A tensão nominal de cisalhamento do parafuso pode ser tomada como 68 ksi para parafusos do Grupo A (A325) e 84 ksi para parafusos do Grupo B (A490): quando divididos pelo fator de segurança para cisalhamento do parafuso, ↔ = 2,00, as tensões permissíveis passam a ser 34 ksi para parafusos do Grupo A e 42 ksi para parafusos do Grupo B.

Códigos de Desenho Internacionais

A calculadora suporta atualmente três grandes códigos de design: IS 800:2007 (Padrão Índio), AISC 360-16 (Americano) e Eurocode 3 (EN 1993-1-8), e os cálculos automaticamente se ajustam com base nos requisitos e fatores de segurança do código selecionado. Embora os princípios fundamentais permaneçam consistentes entre códigos, métodos de cálculo específicos e fatores de segurança podem variar.

Embora o comportamento mecânico do aço inoxidável e do aço carbono diverja significativamente, as disposições de concepção para ligações de aço inoxidável nas normas actuais baseiam-se essencialmente nas regras para o aço carbono e para ligações aparafusadas, as resistências de projecto na EN 1993-1-4 e no Manual de Desenho SCI/Euro Inox para aço inoxidável estrutural baseiam-se nas normas das EN 1993-1-8 e EN 1993-1-3 com apenas algumas pequenas modificações.

Fatores críticos que afetam a força do rolamento

Vários fatores influenciam a resistência do rolamento de conexões de aço, e entender seus efeitos individuais e combinados é essencial para otimizar o projeto de conexão.

Propriedades do Material

As propriedades do material das placas conectadas e dos parafusos afetam significativamente a resistência ao rolamento. A resistência à tração final (Fu) do material da placa é um parâmetro primário nos cálculos de resistência ao rolamento. Para conexões feitas de diferentes tipos de aço, a capacidade do rolamento deve ser calculada para cada elemento, com base em sua própria espessura e propriedades do material, com a menor capacidade que regula o projeto de conexão para rolamento.

Os engenheiros normalmente limitam as tensões de design de rolamentos a 50-70% da resistência máxima do material para atender às incertezas de carga, variabilidade do material e fatores ambientais, e essa abordagem garante margem suficiente contra a deformação localizada. Esta abordagem conservadora proporciona margens de segurança adequadas, permitindo o uso eficiente de materiais.

Os fatores de segurança para a resistência do rolamento variam de acordo com a aplicação: 2.0-2,5 para aplicações estruturais gerais, 3.0-4,0 para conexões críticas sujeitas a carregamento dinâmico e 1.5-2,0 para estruturas temporárias com cargas bem definidas.

Distância da borda e Distância do final

A distância de borda e a distância de extremidade estão entre os parâmetros geométricos mais críticos que afetam a resistência do rolamento.Experimentos e análises numéricas foram realizados para investigar conexões tipo rolamento aparafusadas com distâncias finais e distâncias de borda variando de uma vez o diâmetro do furo de parafuso a duas vezes o diâmetro do furo de parafuso, e os resultados mostraram que distância final e distância de borda foram dois parâmetros controlados que determinaram os modos de falha.

A distância insuficiente da borda ou final pode levar a uma falha prematura antes de se desenvolver a capacidade total do rolamento. Os códigos de projeto especificam distâncias mínimas para evitar este modo de falha, mas as distâncias ideais muitas vezes excedem esses mínimos para garantir o comportamento dúctil e o desenvolvimento de capacidade total do rolamento.

Espaçamento de Parafusos

O espaçamento entre parafusos afecta a distribuição de tensões e as vias de ruptura potenciais nas ligações. Tanto o corte como a falha da placa podem ser evitados, fornecendo um centro suficiente para a distância central entre os parafusos, como mencionado na secção 10 da IS 800: 2007. O espaçamento adequado impede a interacção entre os furos adjacentes e garante que cada parafuso possa desenvolver a sua capacidade total de rolamento.

Os requisitos mínimos de espaçamento variam tipicamente de 2,67 a 3 vezes o diâmetro do parafuso, com espaçamento preferencial de 3 vezes o diâmetro proporcionando uma distribuição de carga ideal e tolerância à fabricação.

Espessura da placa

A espessura da placa afeta diretamente a capacidade do rolamento, pois a resistência do rolamento é proporcional à área projetada do rolamento (diâmetro de parafuso vezes espessura da placa). Placas mais espessas fornecem maior área do rolamento e geralmente maior capacidade de rolamento, embora outros modos de falha possam governar em placas muito espessas.

Uma modificação nas disposições do coeficiente de rolamento para aços finos G550 e G300 é necessária para atender à resistência reduzida dos materiais conectados ao rolamento, e esta redução na resistência ao rolamento está relacionada mais à espessura do aço do que à classe do aço (G550 vs. G300). As conexões de aço fino requerem uma consideração especial devido aos efeitos de deformação fora do plano.

Tipo e tamanho do buraco de parafuso

Estes furos são classificados como: i) furos padrão – 1/16 polegadas maior que o diâmetro nominal do parafuso ii) furos de tamanho superior – não permitidos em conexões tipo rolamento iii) furos de tamanho curto – permitidos tanto no tipo de deslizamento-crítico quanto no tipo de rolamento. O tipo de orifício afeta a área do rolamento e o potencial de deformação antes de estabelecer o contato completo do rolamento.

Os furos padrão são tipicamente 1/16 polegadas maiores do que o diâmetro nominal do parafuso para parafusos de até 1 polegadas de diâmetro, proporcionando tolerância adequada à fabricação, minimizando a redução na área de seção de rede. Os furos superdimensionados e entalhados têm aplicações específicas e requerem considerações especiais de design.

Procedimento de projeto para a força do rolamento

Uma abordagem sistemática para projetar a resistência do rolamento garante que todos os estados-limite relevantes sejam considerados e que a conexão funcione como previsto durante toda a sua vida útil.

Etapa 1: Determinar as Forças de Desenho

O primeiro passo no projeto de conexão é determinar as forças de projeto fatoradas que a conexão deve resistir. Essas forças devem ser responsáveis por todas as combinações de carga e fatores de carga aplicáveis especificados pelo código de projeto governante. A distribuição de forças entre vários parafusos deve ser determinada com base na geometria de conexão e configuração de carga.

Passo 2: Selecione o tamanho do parafuso e grau

A seleção do parafuso envolve a escolha de um diâmetro e grau de material adequados que resistam às forças de cisalhamento e tensão aplicadas. O diâmetro do parafuso afeta tanto a capacidade de cisalhamento quanto a área do rolamento, enquanto o grau do parafuso determina as propriedades de resistência do material.Os graus comuns do parafuso incluem A325 e A490 para aplicações estruturais, com parafusos A490 proporcionando maior resistência para aplicações exigentes.

Passo 3: Calcular a capacidade da tesoura de parafuso

A capacidade de cisalhamento dos parafusos deve ser calculada considerando se os fios estão incluídos ou excluídos do plano de cisalhamento. Resistência de corte dos parafusos: ? = 2,0 Diâmetro de parafuso = 0,768 em Força de corte nominal, Fnv = 54 ksi Força de corte nominal (por parafuso), Rnv = 0,6 Fnv Ab = 0,6 (54 ksi) 0,463 em^2 = 25,0 kips (Rnv / ?) =12,5 kips. O número de planos de cisalhamento (cisalhamento único ou duplo) também deve ser considerado.

Passo 4: Calcular a capacidade de rolamento

Resistência à Rolamento de Buracos Padrão: ↔ = 2,0 (ignorando a deformação do orifício de parafuso ao nível de carga de serviço) distância de borda, le = 0,84 em (clara) distância ao furo adjacente, lc = 2,19 em, e uma vez que a distância da borda é menor do que a distância adjacente ao próximo orifício de parafuso, a distância da borda irá controlar. O cálculo da capacidade do rolamento deve considerar a distância clara à borda ou aos orifícios adjacentes, usando o valor menor.

O valor de parafuso é o menor da força de rolamento de projeto (Vdpb) e da força de corte de projeto (Vdsb) do parafuso. A capacidade de regulação é o mínimo das capacidades de cisalhamento e rolamento.

Passo 5: Verificar os estados limite da placa

Devem ser verificados vários estados-limite da placa, incluindo:

  • Rendimento de shear: A área bruta ao longo do plano de cisalhamento deve ser adequada para evitar a produção
  • Rruptura de shear: A área líquida (contando com furos de parafuso) deve resistir à fratura
  • Rendimento de tensão: A área bruta perpendicular à carga não deve ser obtida
  • Ruptura de tensão: A área líquida deve resistir à fratura em tensão
  • Cessamento do bloco:] Deve verificar-se o caminho combinado de ruptura do cisalhamento e da tensão

A resistência de uma ligação aparafusada é o menor valor do parafuso (força de projeto do parafuso) e a resistência à tração do projeto da placa.

Passo 6: Verificar os Requisitos Geométricos

Todos os requisitos geométricos especificados no código de projecto devem ser verificados, incluindo distâncias mínimas e máximas da aresta, distâncias de extremidade e espaçamento de parafusos. Estes requisitos garantem uma distribuição adequada da força, impedem modos de falha prematuros e proporcionam tolerâncias de fabricação adequadas.

As resistências do rolamento de projeto são dadas para diferentes distâncias de borda (1,25 pol. e 2 pol.), Fu (58 e 65 ksi), e diferentes diâmetros de parafuso (5/8 – 1-1/2 pol.) As tabelas de projeto em manuais de aço fornecem valores tabulados para configurações comuns, simplificando o processo de projeto.

Considerações Especiais no Design de Rolamentos

Certas condições e aplicações requerem considerações adicionais além dos cálculos de resistência padrão do rolamento.

Limites de Deformação

Em algumas aplicações, a deformação em cargas de serviço pode ser uma consideração de projeto, mesmo que a resistência final seja adequada. A deformação de rolamento pode levar ao alongamento excessivo do furo, afetando a capacidade de manutenção da estrutura. Os códigos de projeto podem especificar limites de deformação, tipicamente em torno de 1/4 polegada de alongamento do orifício, que requerem o uso de equações de resistência mais conservadoras do rolamento.

A resistência dos rolamentos das conexões aparafusadas foi determinada em estudos anteriores, quer com base em um critério de resistência ou deformação. A escolha entre o projeto baseado em resistência e deformação depende dos requisitos específicos de aplicação e desempenho.

Conexões de aço de alta resistência

As conexões aparafusadas do tipo rolamento são frequentemente utilizadas para conexões de estrutura de aço e são tipicamente pequenas quando usadas para conectar aços de alta resistência, no entanto, estudos sobre o modo de falha e a capacidade de rolamento final de conexões aparafusadas do tipo aço de alta resistência são, até onde sabemos, limitados. Os aços de alta resistência podem apresentar comportamento diferente do rolamento devido à ductilidade reduzida e diferentes características de resistência.

A resistência do rolamento muitas vezes entra em conflito com os requisitos de ductilidade, e aços de maior resistência normalmente oferecem resistência superior ao rolamento, mas podem apresentar capacidade de deformação plástica reduzida antes da falha, podendo levar a modos de falha mais bruscos.

Conexões de aço de chapa fina

Os aços de chapa leve (G300) têm uma capacidade de deformação aumentada em comparação com os aços de chapa G550 devido à sua elevada ductilidade, e um aumento na capacidade de deformação fora do plano pode levar a lágrimas que não se originam perto da borda do material empilhado na frente do parafuso, mas mais perto do centro do buraco de parafuso originalmente colocado. As conexões de chapa fina podem experimentar o enrolamento e deformação fora do plano que afeta o comportamento do rolamento.

As normas não podem ser utilizadas para prever com precisão o modo de falha das ligações de chapa fina aparafusadas carregadas em cisalhamento, e normalmente, a fratura de seção líquida é prevista quando os resultados do ensaio revelam que o desgaste do rolamento na chapa de aço é o modo de controle da falha.

Conexões de aço inoxidável

O inquérito mostrou que o comportamento de deformação das conexões de aço inoxidável é um pouco diferente do das conexões de aço carbono, com aço inoxidável apresentando endurecimento acentuado de deformação, porém, as localizações de iniciação de fratura obtidas a partir dos modelos numéricos foram compatíveis com as observadas durante estudos experimentais de conexões de aço carbono e aço inoxidável.

O comportamento não linear de tensão-deformação do aço inoxidável, particularmente de graus austeníticos, resulta em endurecimento significativo de deformação que pode aumentar a capacidade de rolamento além do rendimento inicial. No entanto, isso também complica a previsão de modos de deformação e falha.

Erros comuns de projeto e como evitá - los

Compreender armadilhas comuns no design de resistência ao rolamento ajuda os engenheiros a evitar erros caros e garantir conexões seguras e eficientes.

Distância da borda insuficiente

Um dos erros mais comuns é fornecer distância de borda inadequada, o que pode levar a uma falha prematura. Embora as distâncias mínimas de borda sejam especificadas em códigos, usando distâncias próximas ao mínimo pode resultar em redução da capacidade de rolamento e modos de falha quebradiça. Fornecer distâncias de borda de 1,5 a 2 vezes o diâmetro do parafuso tipicamente garante capacidade de rolamento adequada e comportamento dúctil.

Compatibilidade de Materiais Negligenciáveis

O uso de parafusos de maior grau do que o necessário pode ser um desperdício e pode causar a falha das placas antes dos parafusos (fracasso no rolamento). A conexão deve ser projetada de modo que todos os componentes funcionem em conjunto de forma eficiente, com razões de utilização semelhantes para diferentes estados-limite. As resistências de materiais descomprometidos podem levar a projetos ineficientes ou modos de falha inesperados.

Número excessivo de fixadores

Os componentes de conexão devem falhar de forma dúctil, previsível, e adicionar muitos parafusos pode enfraquecer as placas devido à área de seção reduzida da rede, então há um número ótimo baseado na distribuição de carga e geometria. Mais parafusos nem sempre resultam em uma conexão mais forte, como a redução na área de rede pode governar a capacidade.

Ignorando Distribuição de Carga

Assumindo que a distribuição de carga igual entre todos os parafusos pode não ser precisa em todos os casos, particularmente em conexões longas ou conexões com carregamento excêntrico. Análise elástica ou métodos mais sofisticados podem ser necessários para determinar forças reais de parafuso e garantir capacidade de rolamento adequada em locais críticos.

Tópicos Avançados na Análise de Força de Rolamentos

Para conexões complexas ou aplicações especiais, métodos avançados de análise podem ser necessários para prever com precisão o comportamento e o desempenho da conexão do rolamento.

Análise de elementos finitos das conexões de rolamento

Este trabalho apresenta um estudo experimental e numérico para investigar os modos de resistência e falha do rolamento de conexões de um único parafuso, e então um método de modelagem FE considerando as propriedades do material de tração e cisalhamento nas regiões correspondentes é proposto para explorar o comportamento do rolamento de conexões de um parafuso.A análise de elementos de finita pode capturar distribuições complexas de tensões, não linearidade do material e comportamento de contato que cálculos simplificados de mãos não podem abordar.

A resistência do rolamento superior a 12% sobreestimação e modo de falha incorreto seria obtida utilizando o método de modelagem FE convencional para conexões aparafusadas sob tensão dominada por cisalhamento devido ao comportamento de cisalhamento de aço. Técnicas adequadas de modelagem, incluindo modelos de materiais adequados e critérios de falha, são essenciais para resultados precisos.

Efeitos de Endurecimento da Estirpe

O endurecimento da deformação do material pode afetar significativamente a capacidade de rolamento, particularmente em materiais dúcteis que sofrem deformação plástica substancial antes da falha. Métodos avançados de análise podem ser responsáveis pelo endurecimento da deformação usando modelos de materiais não lineares que representam a curva de tensão-deformação completa, incluindo a região de enduramento da deformação.

Na simulação numérica dos modelos, o comportamento não linear do material de tensão-deformação do aço inoxidável foi considerado utilizando expressões que representam a gama completa de deformações até a deformação de tração final. Essa abordagem fornece previsões mais precisas do comportamento de capacidade final e deformação.

Abordagens da Mecânica de Fratura

O critério de fratura é incorporado em modelos de FE para investigar a relação entre a resistência do rolamento e o modo de falha das conexões aparafusadas. As abordagens baseadas em mecânica de fratura podem prever a iniciação e propagação de fissuras em conexões de rolamento, fornecendo insights sobre mecanismos de falha e capacidade final.

A tensão máxima de plástico na placa na frente do parafuso atinge a tensão localizada da fratura do material, fratura ocorre e a carga máxima é considerada ter sido alcançada. Definir critérios de falha adequados com base em deformação, estresse ou princípios de mecânica de fratura é crucial para a previsão precisa da capacidade de rolamento.

Exemplos de Desenho Prático

Trabalhar através de exemplos práticos ajuda a solidificar a compreensão dos cálculos de resistência e procedimentos de projeto de rolamentos.

Exemplo: Conexão de Shear Simples

As conexões de corte entre as seções em forma de I são algumas das conexões mais comuns no design de aço, e para ajudar a entender as verificações de projeto necessárias de acordo com AISC 360, este artigo usará um exemplo de projeto para explicá-las. Uma conexão de cisalhamento típica entre uma teia de viga e uma coluna ou viga envolve verificar o corte de parafusos, rolamento em furos de parafusos, corte de placa e ruptura, e corte de blocos.

O processo de projeto envolve selecionar um número e tamanho adequados de parafusos, determinar a espessura da placa necessária, e verificar todos os estados limite. Tente quatro linhas de parafusos, 1/4-in. espessura da placa, e 3/16-in. tamanho da solda de filete. Design iterativo pode ser necessário para alcançar uma conexão eficiente que satisfaça todos os requisitos.

Exemplo: Ligação de Tensão

As conexões de união de tensão requerem uma cuidadosa consideração da capacidade da seção da rede, além do rolamento e cisalhamento. A conexão deve desenvolver a capacidade total do membro de tensão, mantendo margens de segurança adequadas para todos os estados-limite. As placas de cobertura dupla fornecem transferência de carga simétrica e são comumente usadas para barras de tensão.

Calcular o valor do parafuso de um parafuso de 20mm de diâmetro de grau 4.6 para unir as placas principais de 12mm de espessura sob os seguintes casos. Assumir Fe410 para todas as placas. O cálculo do valor do parafuso considera tanto o cisalhamento e rolamento, com o mínimo que regula o projeto.

Controlo e Inspecção da Qualidade

O controle de qualidade adequado durante a fabricação e ereção é essencial para garantir que as conexões funcionam como projetado.

Preparação do Buraco

Os furos em parafuso devem ser perfurados ou perfurados ao tamanho especificado com bordas limpas e lisas. Os furos perfurados podem exigir reaming se a espessura do material exceder certos limites ou se a qualidade do orifício for inadequada. Os furos danificados ou superdimensionados podem reduzir a capacidade do rolamento e devem ser reparados ou a conexão redesenhada.

Instalação do Parafusos

A instalação adequada do parafuso é fundamental para o desempenho da conexão. Os parafusos de alta resistência devem ser apertados à pretensão especificada usando chaves calibradas ou outros métodos aprovados. Os parafusos apertados podem não desenvolver atrito adequado em conexões de deslizamento-críticas, enquanto parafusos overtightened podem ser sobre-estrescidos ou danificar o material conectado.

Requisitos de inspecção

A inspecção visual deve verificar se todos os parafusos estão instalados correctamente, os furos estão alinhados correctamente e não há sinais de danos ou de angústia. Para as ligações críticas, pode ser especificada uma inspecção mais pormenorizada, incluindo ensaios ultrassónicos ou outros métodos não destrutivos.

Tendências futuras e orientações de pesquisa

A pesquisa contínua continua a refinar nosso entendimento do comportamento do rolamento e melhorar os métodos de projeto para conexões de aço.

Materiais Avançados

O desenvolvimento de novos aços de alta resistência e alto desempenho requer disposições de resistência ao rolamento atualizadas. As decisões de seleção de materiais muitas vezes equilibram a resistência ao rolamento contra a fabricação e o custo, e enquanto os aços de maior resistência oferecem melhor resistência ao rolamento, eles podem apresentar desafios na formação de furos e podem ser mais sensíveis.

Design baseado no desempenho

As abordagens de design baseadas em desempenho que consideram toda a gama de comportamento de conexão, desde o carregamento inicial até a capacidade máxima e a resposta pós-pico, estão se tornando mais comuns. Esses métodos podem levar a projetos mais eficientes que melhor correspondam aos requisitos de desempenho reais da estrutura.

Ferramentas digitais e automação

A ferramenta de conexão de aço estrutural central é um software de engenharia estrutural que permite gerar rapidamente os cálculos necessários para determinar a resistência de uma conexão de aço, e os cálculos avaliam cada um dos estados limite possíveis para o feixe, parafusos, soldas, ângulos, placas, viga e/ou coluna de forma a determinar qual o modo de falha que irá controlar a capacidade de carga do projeto. Ferramentas avançadas de software simplificam o processo de projeto e reduzem o potencial de erros de cálculo.

O aprendizado de máquina e a inteligência artificial estão sendo explorados para otimização de projeto de conexão e previsão de falhas, levando potencialmente a conexões mais eficientes e confiáveis no futuro.

Conclusão

A resistência ao rolamento é uma consideração crítica no projeto de conexão de aço que afeta diretamente a segurança, desempenho e economia de estruturas de aço. Um entendimento completo do comportamento do rolamento, dos modos de falha e dos procedimentos de projeto é essencial para engenheiros estruturais que trabalham com conexões aparafusadas.

O design adequado de rolamentos requer consideração de múltiplos fatores, incluindo propriedades do material, parâmetros geométricos, condições de carregamento e padrões de projeto aplicáveis. Ao seguir procedimentos de projeto sistemáticos, verificar todos os estados-limite relevantes e evitar erros comuns, os engenheiros podem criar conexões que transferem cargas de forma segura e eficiente entre os membros estruturais.

À medida que os materiais e métodos de construção continuam evoluindo, a pesquisa e o desenvolvimento contínuos de dispositivos de design garantem que os cálculos de resistência dos rolamentos permaneçam precisos e aplicáveis às práticas de construção modernas.A integração de métodos de análise avançados e ferramentas digitais reforça ainda mais nossa capacidade de projetar conexões otimizadas que atendam às exigências exigentes das estruturas contemporâneas.

Para recursos adicionais sobre o projeto de conexão de aço, os engenheiros podem se referir ao American Institute of Steel Construction (AISC) para guias e especificações de projeto abrangentes, ao Steel Construction Institute] para publicações de orientação técnica e de pesquisa, e BG Engenharia Estrutural[ para exemplos de projeto prático e tutoriais. Esses recursos fornecem informações valiosas para a aprendizagem e prática profissional em design de conexão de aço.