Chapa central

Este tipo de ligação consiste num corte longitudinal no elemento de madeira, no qual uma chapa de aço é colocada. Cavilhas, parafusos de porca ou pregos são inseridos na direcção perpendicular à direcção longitudinal da chapa, trespassando o elemento de madeira. O uso da chapa de aço permite transferir esforços usando um número variado de ligadores, sendo assim possível maximizar a capacidade da ligação. Em casos de pequenos esforços existe a possibilidade de usar chapas de pequena espessura (1mm), podendo facilmente ser trespassadas por pregos, que podem constituir o nó de ligação (Figura 6.9).

Figura 6.9 – Ligações com uso de chapas centrais finas (Stulz e Mukerji, 1993)

Nos casos em que são espectáveis maiores esforços a solução passa por usar ligadores de maior diâmetro, como cavilhas ou parafusos de porca e, consequentemente, pré-furações nos elementos de madeira, e chapas de maior espessura unidas a nós de ligação (Figura 6.10). Existe ainda a possibilidade do usar cintas em torno dos elementos de madeira, minimizando o movimento e a fissuração da ligação. Estas cintas devem ser aplicadas na madeira a um teor de água inferior ao previsto para a sua aplicação estrutural em serviço.

Para a execução de cintas os materiais mais adequados são o arame ou bandas metálicas. No caso de serem usadas cavilhas ocas como ligadores, existe a possibilidade de o arame passar pelo interior da cavilha e contornar a secção do toro (Figura 6.11).

Figura 6.10 – Ligações de chapa central (Jorissen, 2006)

Figura 6.11 – Aplicação de cintas de arame (Yeates, 1999)

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Apesar da aplicação de cintas melhorar o desempenho da ligação, a sua eficiência é reduzida em serviço. Isto deve-se à variação dimensional da madeira, que pode causar o abrandamento das cintas que, consequentemente, deixam de se tornar parte efectiva da ligação (Yeates, 1999). Um outro problema do uso de cintas está relacionado com a estética, tornando a ligação pouco apelativa em termos visuais.

Estudos sobre o comportamento destas ligações foram efectuados por Huybers (apud Lukindo et al., 1997). O autor estudou diversas configurações de ligações, variando o diâmetro dos toros (100 ou 120mm), diâmetro das cavilhas ocas (17,2 ou 21,3mm), número de cintas de arame (2 ou 4) e espessura das chapas centrais (6 ou 8mm). As ligações possuíam duas cavilhas espaçadas de 5 vezes o seu diâmetro, a distância entre o topo do toro e a primeira cavilha era de 7 vezes o diâmetro desta. A carga de rotura variou entre 68,9 e 124,5kN. Os autores verificaram que nas ligações com toros de 120mm de diâmetro a carga de rotura obtida para as ligações com 4 cintas foi superior em 16% à das ligações com apenas 2 cintas. A carga de rotura das ligações com toros de 100mm de diâmetro do toro foi estimada pelo autor, considerando que os ligadores eram parafusos de 17,2mm de diâmetro, no lugar de cavilhas ocas, e usando uma análise plástica limite. A espessura dos elementos de madeira foi considerada igual ao raio do toro deduzido de metade da espessura da chapa e usada a massa volúmica dos elementos de madeira. A carga de rotura estimada foi 12% superior à obtida experimentalmente. Procedimento semelhante foi usado para as ligações de 120mm de diâmetro. Para as ligações com 2 laços, a carga estimada foi similar à experimental, no caso de ligações com 4 laços, o valor experimental ficou 12,5% acima do valor previsto.

Houtman et al. (1998) efectuaram estudo similar usando dois tipos de ligadores e toros de 100, 120, 150 e 200mm de diâmetro. Uma tipologia de ligação era constituída por configurações de duas ou quatro cavilhas ocas, de 17 ou 21,3mm de diâmetro, pelo interior das quais passavam 1 ou 2 cintas de arame, com 4 a 5mm de espessura. A distância do topo do elemento de madeira até à primeira cavilha era de 4,4 a 4,7 vezes o diâmetro desta. O espaçamento entre cavilhas era de 4,7 a 5,8 vezes o diâmetro destas. A outra tipologia de ligação estudada era constituída por configurações de dois ou quatro parafusos de porca, de 16mm de diâmetro com anilhas, com 2 cintas de arame, de 4 a 5mm de espessura, aplicadas em cada parafuso. O espaçamento entre parafusos, e entre o parafuso mais próximo do topo do elemento e o topo, era de 7 vezes o diâmetro do parafuso.

Os autores efectuaram ensaios à tracção para determinação das cargas de rotura das ligações e posteriormente compararam-nas com as cargas de rotura estimadas usando uma análise plástica limite, considerando a largura da ligação igual ao diâmetro do elemento de madeira. O modo de rotura evidenciado pela maioria das ligações passou pela formação de uma rótula plástica no ligador com esmagamento na madeira, este modo de rotura também foi o mais limitativo na análise plástica limite efectuada pelos autores. A carga de rotura das ligações de

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cavilhas variou entre 68,9 e 281kN, enquanto a carga das ligações com parafusos variou entre 135,9 e 311,1kN. As cargas estimadas, no caso das ligações com cavilhas, foram 18% inferiores, em média, aos valores experimentais. No caso das ligações de parafusos, as cargas estimadas foram 38% inferiores às experimentais. A maior diferença entre os valores experimentais e estimados nesta ultima tipologia, segundo os autores, deveu-se à fricção introduzida pelas anilhas quando o parafuso plastifica.

De modo a aferir a influência das cintas, os autores testaram, em toros de 115mm de diâmetro, ligações constituídas por uma única cavilha de 16mm de diâmetro com e sem cintas aplicadas. As ligações sem cintas apresentaram uma carga de rotura média de 59,2kN, a qual foi 9,6% inferior à carga estimada usando uma analise plástica limite. As mesmas ligações, mas com uma cinta aplicada, apresentaram uma carga de rotura média de 66,3kN, apenas 1,2% inferior à estimada.

Lukindo (Lukindo et al., 1998b) estudou ligações de chapa central usando um único ligador com o objectivo de aferir a aplicabilidade da análise plástica limite na previsão da carga de rotura deste tipo de ligações. O autor analisou 9 configurações desta ligação, resultantes da combinação de 3 diâmetros de toros de Red pine (63,5; 76,2 e 101,6mm) e 3 diâmetros de parafusos (8; 12,7 e 19,1mm). Os toros possuíam com massa volúmica média de 404,9kg/m3 e um teor de água de 12%, distância do topo da peça de madeira ao ligador era de 3,5 vezes o diâmetro deste e a chapa possuía uma espessura de 6,4 mm. Não foram usadas porcas ou anilhas e foi mantida uma distância de 6,4mm entre a cabeça do parafuso e a superfície da madeira, de modo a que os parafusos se comportem como cavilhas.

Os ensaios de tracção foram realizados com medição do deslocamento da chapa central. As cargas de rotura variaram entre os 8,9kN para os toros com 63,5mm de diâmetro e parafuso com 7,9mm de diâmetro, e os 41,9kN para toros com 101,6mm de diâmetro e parafuso com 19,1mm de diâmetro. No cálculo da carga estimada, os autores consideraram a espessura dos elementos de madeira foi igual ao raio médio dos elementos de madeira deduzido de metade da espessura da chapa central. Os valores estimados foram, em média, 8% superiores aos experimentais. Valor similar ao obtido por Houtman et al. (1998), para configuração de ligação semelhante.

Os mesmos autores (Lukindo et al., 1998a) investigaram a utilização de placas centrais com nervuras neste tipo de ligação (Figura 6.12). As chapas nervuradas tinham 6,4mm de espessura e 6 nervuras de 5mm de raio espaçadas de 38mm, 3 na parte superior e 3 na parte inferior. O estudo foi efectuado com toros de 76,2 mm de diâmetro e usando um parafuso de 12,7mm de diâmetro, com anilhas concavas com 50mm de diâmetro.

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Figura 6.12 – Ligações com chapa central rugosa (Lukindo et al., 1998a)

Os autores verificaram que usando apenas a placa rugosa sem qualquer ligador era possível obter cargas de rotura médias de 22,2kN, aumentando este valor para 37,0kN quando usado o parafuso. Assim a carga de rotura foi cerca de 40% superior a similar configuração com chapa lisa. Em termos de rigidez, a ligação com chapa nervurada apresentou o valor de 17,9 kN/mm, cerca do dobro da obtida para ligação similar com chapa lisa. As ligações com chapa nervurada apresentaram, no entanto, maior variabilidade de resultados que as similares com chapa lisa. O problema da transmissão de esforços por fricção, e consequentemente deste tipo de ligações, está no facto de esta poder diminuir sob carregamentos longos ou devido a variações dimensionais da madeira.

Yeh e Lin (2007) obtiveram a carga de rotura para duas configurações de ligações de placa central. Os elementos de madeira de Taiwania (Taiwania cryptomerioides Hay) possuíam diâmetros entre 120 e 150mm. As configurações eram constituídas por 1 ou dois parafusos de 15,88mm de diâmetro e uma placa central de 5mm de espessura. Os autores verificaram que as ligações com o mesmo número de parafusos mas com diâmetros de toros diferentes apresentaram cargas de rotura similares. Assim, nas ligações com um parafuso foi obtida uma carga de rotura média de 39,4kN, nas ligações com dois parafusos a carga de rotura média foi de 80,0kN.

Wolfe et al. (2003) estudaram ligações com duas chapas longitudinais, paralelas entre si, de 3,2mm de espessura, usando pregos como ligadores (Figura 6.13). As chapas foram colocadas longitudinalmente a uma distância da periferia da secção transversal de metade do comprimento do prego. Foram estudadas diversas configurações de ligações em função do número de pregos, 8 a 32, espaçados de 25mm entre si (Figura 6.13). A distância do topo do toro à primeira linha de pregos não é referida, estimando-se, pelos esquemas apresentados pelos autores, que seja próxima de 50mm. Os pregos usados possuíam 72mm de comprimento e 3,7mm de diâmetro. Os toros de Pinho de Ponderosa foram torneados para um diâmetro de 150mm e condicionados para um teor de água de 12%, possuindo uma massa volúmica média de 420kg/m3.

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Figura 6.13 – Configurações da ligação com duas chapas longitudinais pregadas estudada por Shim et

al. (2009)

As ligações foram ensaiadas à tracção com medição do deslocamento das chapas relativamente ao topo do toro. Os autores verificaram que ligações com a mesma configuração apresentaram cargas de rotura similares, mas modos de rotura e comportamentos diferentes, algumas roturas apresentaram comportamento dúctil enquanto outras apresentaram comportamento frágil.

Nas ligações onde foram usados 8 ou 12 pregos, a rotura deveu-se a plastificação dos pregos. Nas restantes ligações com 24 e 32 pregos acorreu arrancamento de um bloco de madeira devido à resistência à tracção e ao corte da madeira terem sido excedidas. As cargas de rotura médias foram de 39kN para ligações com 8 pregos, de 56,7kN para ligações com 12 pregos, de 110,6kN para ligações com 24 pregos e de 126,6kN para ligações com 32 pregos.

Ligações similares foram estudadas por Shim (2004), mas usando apenas uma chapa central de 3,2mm de espessura. Os elementos de madeira da ligação consistiam em toros torneados de Larício do Japão de 60mm de diâmetro, com uma massa volúmica média de 540 kg/m3 e um teor de água de 12%. Foram efectuados 50 ensaios de tracção e testadas diversas variantes da ligação, sendo as variáveis o número de linhas de pregos, o número de pregos por linha e a aplicação ou não de cintas (Figura 6.14). Os pregos possuíam 61mm de comprimento e 3,7mm de diâmetro. A distância entre a primeira linha de pregos e o topo do elemento de madeira era de 75mm, e o espaçamento entre pregos de 25mm.

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O autor constatou que as ligações com cintas possuíam mais ductilidade que as congéneres sem bandas. Em termos de roturas, estas foram causadas pela plastificação dos ligadores ou pela rotura das fibras da madeira numa combinação de corte e tracção. A configuração de 4 pregos em linha teve uma carga de rotura inferior em 64% à configuração de 4 pregos em duas linhas paralelas (Figura 6.14). As cargas de rotura variaram entre os 18kN para a configuração com 4 pregos, 2 por linha, e os 20,9kN para 8 pregos, 4 por linha, verificando-se assim que não existiu um significativo aumento da carga de rotura com o aumento do número de pregos. A utilização de cintas permitiu aumentar a capacidade de carga das ligações entre 117 e 160%.