Ligações em Estruturas de Madeira

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Ligações em Estruturas de Madeira
Desde quando se começou a usar a madeira como elemento estrutural, o grande problema enfrentado pelos construtores era o de como unir as peças de madeira de uma maneira eficaz. Cito abaixo alguns tipos de ligações em ordem cronológica que foram utilizadas:
1) Encaixes :
As ligações por encaixes constituem o meio mais tradicional e o meio que foi mais utilizado nas ligações de peças de madeira. São econômicos pois não necessitam de materiais adjacentes, porém necessitam de mão-de-obra cuidadosa e especializada. Com o surgimento de colas especiais e ferragens para ligações seu uso foi tornando-se escasso. Nestas ligações as peças devem ter as faces transmissoras dos esforços totalmente em contato antes dos carregamentos. Os encaixes são mantidos no lugar com cavilhas, pregos, colas ou parafusos que não são levados em conta no cálculo destas ligações. O Japão, em particular, é o país onde foram desenvolvidos os encaixes mais complexos em estruturas de madeira.
2) Cavilhas de Madeira :
As cavilhas são pinos cilíndricos confeccionadas com madeira dura e são introduzidas por cravação em furos sem folga nas peças de madeira. De acordo com a NBR7190 as cavilhas deverão ser de madeiras da classe C60 ou com madeiras macias impregnadas por resina para aumento de capacidade resistente. Para estruturas são consideradas apenas cavilhas com 16mm (5/8”), 18mm (3/4”) e 20mm (1”) e os furos devem ser exatos. A cavilha deve estar perfeitamente seca, caso contrário há retração após sua colocação provocando folgas. As ligações estruturais com cavilhas devem ser aplicadas somente quando submetidas à corte duplo. À corte simples apenas em ligações secundárias. Atualmente só é permitido o uso de cavilhas juntamente com colas.
3) Pregos :
Com o advento do aço, começou-se a utiliza-lo em forma de pregos nas estruturas de madeira. Os pregos são os elementos de ligação mais comuns de serem utilizados e provavelmente os mais tradicionais. São fabricados com arame de aço. O mais comum a se utilizar é o prego com cabeça de fuste cilíndrico circular, porém existem diversos tipos de pregos no mercado, cada qual com sua função específica.
Fatores de resistências de ligações pregadas :
a) Relativas aos pregos :
- Forma e dimensão
- Carga Admissível
- Deformação do prego por flexão
b) Relativos à madeira :
- Enfraquecimento da seção, provocada pelo furo
- Fendas ocasionadas pela penetração
- Esmagamento do prego contra a madeira nas paredes dos furos
- Disposição dos pregos
- Estado de umidade da madeira (retração provoca afrouxamento dos furos)
c) Relativos à mão de obra :
- Carpinteiros experientes que não “entortam” o prego ao martelar
As ligações rompem por arrancamento e não por cisalhamento. Existe um valor mínimo de penetração abaixo da qual não se consegue boa resistência. Acima da penetração mínima e pontas rebatidas não aumentam a resistência da ligação.
4) Cavilhas ou Pinos Metálicos :
Os pinos são eixos cilíndricos de aço e são colocados nos furos feitos à máquina nas ligações. Esses furos possuem diâmetro ligeiramente inferior aos dos pinos e assim são instalados sem folga, de modo a entrarem em carga sem haver deformação relativa das peças ligadas.
5) Parafusos :
Os parafusos são instalados ajustados nos furos de modo a não ultrapassar uma pequena folga (no máximo 1mm). Após a colocação dos parafusos, as porcas são apertadas comprimindo fortemente a madeira, com o esforço sendo transferido com o auxílio de arruelas.Este esforço favorece a ligação pois desenvolve forte atrito entre as ligações, porém devido à deformação lenta da madeira, deveremos dimensionar as ligações sem a consideração do atrito, considerando os parafusos trabalhando como pinos. As peças de madeiras devem sempre ser furadas em conjuntos, depois de superpostas numa prémontagem com pregos. A NBR7190 recomenda o diâmetro mínimo dos parafusos com Ø=10mm (3/8”) e resistência mínima de escoamento do aço (fyk) de pelo menos 240 MPa. As arruelas para pontes devem tem espessura mínima de 9mm (3/8”). Nas outras estruturas devem ter no mínimo 6mm (1/4”) de espessura e preferencialmente quadradas (para encaixe na madeira e evitar rotação). O diâmetro ou lado das arruelas não deve ser inferior a 3 vezes o diâmetro do parafuso, para que haja total transferência de esforços entre a área de pressão da arruela e a madeira. Para ser considerada rígida a ligação deverá ter no mínimo 4 parafusos. Nunca serão utilizadas ligações com 1 único parafuso. A pré-furação estabelecida pela NBR7190 é o diâmetro do parafuso acrescido de 0,5mm (parafusos ajustados nos furos). Caso esta pré-furação seja maior, a ligação é considerada deformável (parafusos não ajustados).
6) Barras Roscadas :
As barras roscadas são vergalhões fabricados com aço SAE 1020 com rosca infinita, comumente comprados por metro linear. A grande vantagem de sua utilização é o corte em obra do tamanho exato de barra que se necessita para efetuar as ligações, evitando a compra de parafusos de tamanhos específicos. Possui limite de escoamento de 210 MPa (inferior à recomendada pela norma de 240 MPa). Limite de resistência à tração de 380 MPa. Como possuem a rosca em toda sua extensão, o cálculo deve ser feito com o diâmetro líquido da barra, ou seja, descontando-se o fio da rosca.
7) Anéis Metálicos :
Como a resistência das ligações com pinos metálicos é limitada pela tensão de apoio do pino na madeira e pela sua flexão, foram criados peças rígidas para evitar estas limitações. Os conectores em forma de anel são peças metálicas, colocadas em entalhes nas interfaces das madeiras e mantidas em posição por meio de parafusos passantes colocados dentro do anel. Fura-se a face da madeira com uma serra-copo do diâmetro do conector, sem retirar o miolo da madeira. Apesar de existirem inúmeros tipos destes conectores a NBR7190 só admite o emprego de conectores metálicos estruturais em forma de anéis simples, com diâmetros internos de 64mm (2 1/2”) ou de 102mm (4”). Esses conectores devem ser acompanhados de parafusos de 12mm (1/2”) e 19mm (5/8”) respectivamente. A espessura das paredes dos conectores deve ser igual ou maior que 4mm para Ø=64mm e de 5mm para Ø=102mm.
8) Colas :
As colas constituem um dos processos mais modernos de ligação. A eficiência da ligação depende basicamente da qualidade da cola, porém a técnica de execução da colagem é um fator importante, pois até hoje não se pode efetuar boas ligações coladas a não ser com processos industrializados. A NBR7190 permite utilizar ligações coladas apenas em juntas longitudinais de madeira laminada e colada e madeira seca ao ar livre ou em estufa.
Existem diversos tipos de cola : colas de origem animal (de proteína, albumina ou caseína), colas de origem vegetal (de amido ou proteína de soja), colas sintéticas (de polivinil brancas e amarelas ou de formaldeídos como o resorcinal e a melamina) e as mais modernas, de Poliuretano, com colagem à prova d'água e instantânea.
9) Chapas de dentes estampados (Gang-Nail) :
Os esforços são absorvidos na chapa pelos dentes em um grupo de dentes e a chapa transfere os esforços para outro grupo de dentes. Utilizadas em treliças pré-fabricadas.
Ligações Modernas para Estruturas de Madeira
Por : Eng. Eric Karsh, M.Eng, P.Eng, StructEng, MIStructE
Tradução : Eng. Alan Dias do original em STRUCTUREMAG
Até o meio do século XIX, a madeira era comumente usada como um material de construção estrutural primário em muitos tipos de edifícios não residenciais ao redor do mundo. Muitas dessas estruturas construídas em madeira permanecem em pé e ainda estão em uso hoje, incluindo fábricas, armazéns, escolas, templos e igrejas - algumas datando até o século VII. Exemplos famosos incluem o Templo Horyu-ji de 106,6 pés (32,5 metros) de altura em Nara, Japão, o que demonstra a durabilidade e a força da construção com madeira.
Com a revolução industrial veio uma evolução significativa na tecnologia de aço e concreto, e esses materiais, popularizados pela construçãode projetos revolucionários como a Torre Eiffel e novos "arranha-céus" na América, assumiram como materiais de escolha para grandes e importantes projetos.
Escada do átrio em balanço no UBC Earth & Sciences Building. Cortesia de Martin Tessler.
Como resultado, a madeira foi mais ou menos designada para uso como material para estruturas menores. E com o desenvolvimento de uma construção de “light wood-frame” muito eficiente e versátil que monopolizaram o mercado residencial de baixa elevação na América do Norte, a madeira inicialmente quase perdeu grandes porções do mercado de construção não-residencial para o aço e o concreto.
Ao longo das últimas duas ou três décadas, no entanto, a engenharia e a construção em madeira experimentaram avanços significativos e transformadores, estabelecendo produtos de madeira para um retorno. Estes incluem novos produtos de madeira engenheirada, incluindo produtos de painéis sólidos, como madeira laminada cruzada (CLT), fabricação numérica de controle numérico (CNC), conectores de madeira versáteis de alta eficiência e progresso na engenharia de proteção contra incêndio. Com o progresso técnico e o aumento da demanda por produtos de madeira, vêm maiores oportunidades econômicas.
Hoje, o material de construção mais antigo, e o único cultivado naturalmente pelo sol, está se tornando cada vez mais de alta tecnologia e ainda possui um potencial de desenvolvimento considerável.
Este progresso técnico parece ter combinado com outras influências positivas para reposicionar a madeira no cenário mundial. Um interesse renovado na madeira como meio arquitetônico, combinado com fortes tendências em sustentabilidade, está promovendo o uso expandido da madeira em vários países, incluindo Canadá, EUA, Japão, Austrália e vários países da Europa. Encorajado por essas tendências, a madeira vêm lentamente, mas com segurança recuperando seu lugar como uma opção viável para a construção comercial em uma grande variedade de tipos de construção, incluindo aeroportos, museus, instalações universitárias e até mesmo arranha-céus.
Conector HSK na escada do átrio completamente em balanço no UBC Earth & Sciences Building. Cortesia da Equilibrium Consulting.
Opções de conexão para madeira
A chave para a execução bem-sucedida de grandes estruturas de madeira é a disponibilidade de conectores econômicos, versáteis e confiáveis. Os diferentes sistemas de conexão de madeira disponíveis são comparáveis ​​às ferramentas individuais em uma caixa de ferramentas. Como um engenheiro que procura soluções inovadoras e elegantes, é preciso uma caixa de ferramentas com uma variedade de ferramentas confiáveis ​​e de alta qualidade. Alguns destes foram abordados anteriormente no artigo de ESTRUTURA de janeiro de 2007, “Novos conectores ocultos trazem mais opções para Estruturas de madeira”; no entanto, várias opções novas foram adicionadas desde então. A caixa de ferramentas norte-americana para conexões de madeira é o primeiro de quatro compartimentos principais: padrão através de parafusos, parafusos e pregos, rebites de madeira, chapas treliçadas e conectores metálicos de liga leve pré-projetados. Estes são todos os indutores prolongados de códigos locais e são bem conhecidos pela maioria. Isso não inclui anéis metálicos de estilo norte-americano e placas de cisalhamento, que são especificados com menos freqüência hoje.
No compartimento número dois, encontramos sistemas de conexão que não são explicitamente cobertos por códigos de construção, mas podem ser projetados dentro do escopo dos códigos usando os primeiros princípios. Estes incluem peças fundidas, chaves de corte, entalhes de madeira com madeira e entalhes de aço com madeira.
O terceiro compartimento inclui sistemas de conexão genéricos, que não são cobertos por códigos norte-americanos, mas são reconhecidos oficialmente em códigos estrangeiros respeitáveis, como o suíço, o alemão ou o Eurocode. Estes incluem parafusos de ajuste apertado e pinos e pregos de anel.
O compartimento final possui sistemas proprietários de última geração que são suportados por dados empíricos e geralmente por códigos e aprovações estrangeiros (europeus). Estes exigem revisão cuidadosa e, ocasionalmente, testes locais.
A Especificação Nacional de Design® (NDS®) para Construção em Madeira 10.1.1.3 afirma: "Disposições de projeto de conexão ... não devem impedir o uso de conexões onde é demonstrada por análise baseada em teoria geralmente reconhecida, testes de carga em grande escala ou protótipo, estudos de análogos de modelo ou experiência extensiva de uso que as conexões funcionem satisfatoriamente nos seus fins finais pretendidos." O padrão canadense inclui disposições similares.
Os sistemas patenteados que os engenheiros criaram, como o sistema BVD ou Bertsche desenvolvido pelo engenheiro alemão Peter Bertsche, o sistema SFS WS pelo SFS Intech, o sistema baseado em adesivo HBV e HSK pela TiComTec e desenvolvido pelo Dr. Leander Bathon, o sistema Sherpa ou Pitzl de encaixe com conexões de alumínio e, finalmente, mas não menos importante, os parafusos auto-roscantes, muito versáteis.
Os seguintes são vários tipos de conectores modernos, todos os quais a empresa dos autores usaram e continuam a usar. Os conectores norte-americanos são bem conhecidos pela maioria e não serão discutidos em detalhes aqui.
Cavilhas inoxidáveis ​​apertadas e peças fundidas de aço no aeroporto Prince-George. Cortesia da MacFarlane Green Architecture (MGA).
Conexões de Pinos de madeira com madeira
Toda a família de conexões de pinos de madeira com madeira é uma maneira antiga de transferir cargas de cisalhamento e compressão em madeira. Eles costumavam ser feitos à mão e exigiam habilidade e tempo para fabricar. Eles caíram fora de uso ao longo do século passado, mas estão retornando com o uso de equipamentos CNC. O pino direto é muitas vezes a maneira mais eficiente de transferir cargas pesadas e de compressão em madeira e entalhes adequadamente projetados, usados ​​em combinação com parafusos auto-roscantes, podem ser uma solução de conexão muito econômica.
Onde os entalhes são necessários, eles devem ser projetados a partir dos primeiros princípios usando as fórmulas de pinos e cisalhamento da norma. Como uma questão de prática padrão, assegure-se de que a porção de cisalhamento longitudinal de uma conexão, particularmente no final de um membro, seja proporcionada para não ser o modo de falha primária, pois é quebradiço.
Engastes
Os moldes, geralmente feitos de aço de Ductaline, também são projetados a partir dos primeiros princípios. Eles oferecem uma maneira elegante e versátil de alcançar conexões de importância arquitetônica e podem ser relativamente econômicas em grande número. Sua desvantagem é que eles são suscetíveis ao fogo e não podem ser usados ​​em condições expostas em uma montagem avaliada.
Terminal 2 no aeroporto de Raleigh Durham com conexões de momento BVD. Cortesia de Brady Lambert.
Parafusos e Cavilhas justos
Os parafusos de ajuste apertado são parafusos essencialmente regulares instalados em furos de parafusos, tanto em madeira como em placas de aço de conexão, que são perfurados para tolerâncias muito mais apertadas. O requisito do Eurocode para parafusos de ajuste apertado é ter um orifício de parafuso que corresponda ao diâmetro do parafuso ou seja até 0,5 mm menor. O orifício do parafuso no aço deve ser inferior a 1,0 mm maior do que o diâmetro do parafuso. Os pinos de ajuste apertado, frequentemente utilizados para conexões expostas de alta qualidade, devem satisfazer os mesmos requisitos e, geralmente, consistem em um eixo de aço inoxidável com bordas ligeiramente chanfradas.
A vantagem de cavilhas ajustadas é que os conectores podem ser confiados para levar a carga essencialmente ao mesmo tempo, eliminando principalmente os efeitos de grupo. É necessário um alto grau de precisão, e a fabricação do CNC é quase sempre necessária para alcançar uma conexão de encaixe múltiplo de fixação múltipla, particularmente com placasde faca múltiplas.
Os pinos ajustados são a base de muitas conexões, algumas das quais são discutidas abaixo.
Anilhas
As anilhas são a versão europeia dos rebites de madeira. Brilhante e com uma cabeça redonda, eles parecem um pouco mais arrumados que os rebites de madeira. O código suíço fornece orientações específicas com base em dados empíricos para alcançar conexões dúcteis. Um sistema exclusivo de conexão de anilhas é chamado de prego Gunnebo da Suécia.
Modelo 3D de uma conexão de momento BVD no aeroporto de Raleigh Durham. Cortesia da Equilibrium Consulting.
O sistema BVD da Bertsche
O sistema BVD é um conector patenteado, desenvolvido e vendido pelo engenheiro Peter Bertsche da Alemanha. O sistema consiste em uma inserção ranhurada, suspensa em forquilha, trancada no lugar, puxando os pinos apertados de 16 mm de diâmetro (0,63 polegada). A cavidade é soldada sólida com uma argamassa cimentícia de alto desempenho para assegurar uma transferência de carga completamente ajustada entre as cavilhas e a peça fundida. A inserção é roscada na extremidade e pode receber um parafuso fornecido com a inserção. As tolerâncias de alinhamento são tratadas usando uma lavadora esférica.
Os BVDs vêm em seis tamanhos, normalmente instalados na fábrica com 4 (BVD 1) a 24 pinos (BVD 6) e podem transportar uma carga de arrancamento especificada de 13 a 80 kips (60 a 360 kN) por âncora. A força e a confiabilidade do sistema são reforçadas pelas cavilhas que se cruzam, que ajudam a conter a fibra de madeira e resistem à força de separação. Cargas finais de 2,5 a 3 vezes as cargas especificadas são consistentemente alcançadas. O sistema é muito eficiente para conexões de alta tensão, para carregar cargas axiais diretas.
O sistema é completamente apertado e, portanto, pode ser usado em grupos sem preocupações com efeitos grupais. Também é escondido pela madeira e, portanto, resistente ao fogo.
O Sistema WS por SFS Intec
O WS System proprietário da companhia de fixação suíça SGB Intec, de bilhões de dólares, é composto por cavilhas autoperfurantes de pequeno diâmetro equipadas com uma ponta de broca projetada para o núcleo através de madeira e placas internas de aço de liga-leve de 3 a 5 mm. O pino é conduzido usando uma prensa hidráulica vendida pela empresa.
As vantagens do sistema são que não exige pré-perfuração, evita tolerâncias de fabricação e é completamente apertado. É dúctil, mas muito compacto devido ao pequeno diâmetro dos pinos (5 a 8 mm) e está escondido - tornando o sistema resistente ao fogo. O sistema é bastante eficiente e versátil, e pode ser usado em conexões de cisalhamento, axial ou momento.
O conector HSK está testado para a escada do átrio totalmente em balanço no UBC Earth & Sciences Building. Cortesia dos produtos Structurlam.
Parafusos auto-roscantes
Os parafusos auto-roscantes são a versão da “era espacial” do parafuso norte-americano. Eles agora são vendidos na América do Norte por quatro grandes fornecedores: SFS, GRK, Wurth e Heco. Eles são o tipo de conector principal agora usado na construção de painéis de madeira maciça.
Os parafusos auto-roscantes são parafusos patenteados, de perfuração automática, feitos de aço de alta resistência (cerca de 115kg ou 800 MPa), e vêm em uma grande variedade de tamanhos de 5 a 12 mm de diâmetro e 3/16 a 5 mm. Comprimento de 3 a 23 polegadas (8 cm a 60 cm). O diâmetro refere-se ao diâmetro da rosca, e não ao eixo.
Existem três tipos principais de parafusos auto-roscantes. Os parafusos totalmente roscados são usados ​​para transferir grandes cargas de tensão nas conexões de madeira para madeira sem a necessidade de uma arruela. Os parafusos parcialmente roscados são utilizados para ancorar as placas de suporte de aço e também podem transferir o cisalhamento. Eles têm uma grande capacidade de aperto. Os parafusos de passo variável são usados ​​para puxar dois pedaços de madeira juntos e são freqüentemente usados ​​em conexões de borda a borda do painel de madeira sólida para alinhar os painéis e transferir o cisalhamento longitudinal.
Os parafusos auto-roscantes são extremamente versáteis, eficientes e confiáveis, uma vez que não requerem pré-perfuração. Eles eliminam o risco de que um carpinteiro inexperiente não possa perfurar e contornar um orifício de parafuso de atraso corretamente.
Conexões pré-engenheiradas de encaixes de alumínio
Os conectores de encaixes de alumínio são de alumínio pré-engenheirados, normalmente instalados na fábrica usando parafusos auto-roscantes, permitindo que os elementos de madeira sejam erguidos de forma muito rápida e precisa no local. Existem dois fornecedores principais para este tipo de conectores, ambos representados na América do Norte: Pitzl e Sherpa.
Os conectores vêm em uma variedade de tamanhos e capacidades. Eles são recuados e completamente escondidos pelo material de madeira, tornando a conexão completamente invisível e também resistente ao fogo.
Conexão de encaixe pré-projetada e conexão composta de concreto de madeira HSK no UBC Earth & Sciences Building. Cortesia da Equilibrium Consulting.
O Conector HBV e HSK
Os conectores HBV e HSK foram desenvolvidos pelo engenheiro alemão Leander Bathon. O HBV é um conector usado para conectar sistemas de piso composto de madeira e concreto. Consiste em uma malha de aço expandida colada em uma fenda cortada na parte superior da madeira ou painel de madeira maciça usando um adesivo patenteado e lançado no concreto acima, conectando os dois com rigidez.
O sistema HSK é semelhante, mas é usado para conectar elementos de aço à madeira ou, ocasionalmente, conectar dois elementos de madeira juntos. Consiste em uma chapa de aço perfurada de 2,8 mm (aproximadamente 3/32 polegadas), soldada a uma peça de aço no caso de uma conexão de aço a madeira e colada em um rasgo no elemento de madeira, conectando rigidamente os dois membros.
O sistema HSK é dúctil, pois as peças de aço geralmente são projetadas para deformar antes que o adesivo ou a madeira falhem. Também pode ser completamente escondido e, portanto, resistente ao fogo.
Escada do átrio em balanço no UBC Earth & Sciences Building. Cortesia de Martin Tessler.
Mercado em crescimento para aplicações de madeira
A indústria norte-americana de construção da madeira se transformou significativamente ao longo da história - e ainda mais rapidamente na última década. Na virada do século 20, o aço e o concreto substituíam amplamente a madeira na construção de edifícios comerciais. Um século depois, os avanços técnicos em técnicas de fabricação e engenharia de conexão, juntamente com um renovado interesse na madeira como material de construção ecológico, impulsaram um renovado interesse no material de construção. Os produtos de madeira estão sendo reexaminados para novas oportunidades, em uma gama mais ampla de tipos de construção e atingindo maiores alturas do que nunca.