Tópico Especial: Controle de Precisão na Usinagem e Montagem de Grupos de Furos em Chapas de Ligação para Estruturas de Aço em Galpões

Um diâmetro de furo conforme não garante o encaixe no campo; a chave é o controle contínuo de referências, grupos de furos e alinhamento de membros

Resumo

Na fabricação e montagem de galpões com estrutura de aço, a expressão “furos para parafusos não coincidem” é frequentemente atribuída, de forma simplista, à perfuração imprecisa. Na prática, contudo, as causas da dificuldade de inserção dos parafusos no canteiro costumam ser mais complexas. O diâmetro de cada furo numa chapa de ligação pode estar plenamente em conformidade, enquanto o conjunto de furos como um todo pode sofrer deslocamento ou rotação devido à transferência de referência, ao acúmulo de erros de espaçamento entre furos, à contração provocada pela soldagem da chapa, à curvatura do elemento estrutural, ao desvio angular da chapa de ligação ou às restrições temporárias durante a montagem. Do ponto de vista do controle na fabricação, este artigo discute como estabelecer e inspecionar as coordenadas do conjunto de furos, como selecionar os métodos de usinagem adequados e como avaliar os limites de correção no canteiro quando forem identificados furos desalinhados. Ele não abrange o processo completo de um projeto de estrutura de aço. Em vez disso, concentra-se num problema específico: como garantir que as posições dos furos indicadas nos desenhos se transformem, efetivamente, em ligações que possam ser parafusadas sem dificuldades no canteiro, mantendo ainda o desempenho estrutural exigido.

1. Quando os furos “não se alinham” no local da obra, o problema geralmente não é um único furo

As ligações parafusadas são ligações discretas. Uma ligação típica entre viga e pilar pode conter apenas alguns grupos de furos, mas esses furos devem simultaneamente satisfazer relações posicionais relativas em dois ou até três membros diferentes. O que a montagem em campo realmente exige não é simplesmente que “cada diâmetro de furo esteja dentro da tolerância”, mas sim que, uma vez posicionados os membros conectados, os eixos de todos os furos que exigem parafusos possam coincidir dentro da faixa de ajuste permitida.

Isso significa que a precisão do grupo de furos deve ser compreendida como um sistema. Suponha que os dez furos de uma chapa de conexão passem na inspeção com calibrador. Se todo o grupo de furos for deslocado 3 mm em relação à borda da chapa, ou se a chapa de conexão girar 2–3 mm ao longo da linha de furos após ser soldada à alma de uma viga, cada furo individual ainda pode passar na inspeção, mas o grupo de furos já pode se tornar difícil de ser montado simultaneamente no local com parafusos.

Portanto, o primeiro passo no controle de qualidade da fabricação é distinguir entre "problemas de diâmetro dos furos", "problemas nas coordenadas do grupo de furos" e "problemas na geometria dos elementos estruturais". Os métodos de inspeção, os métodos de reparo e os efeitos sobre o desempenho estrutural são totalmente diferentes para essas três categorias.

2. Estabelecer um datum unificado é mais importante do que medir repetidamente o espaçamento entre furos

Uma das fontes mais comuns de erro sistemático na fabricação de grupos de furos é a utilização de diferentes referências em diferentes processos. O modelo detalhado pode usar a linha central do membro como referência; o corte de chapas pode usar o canto inferior esquerdo da chapa; e a montagem pode usar a face cortada ou uma das bordas da alma. Se as relações entre essas referências não forem explicitamente definidas, cada processo individual pode parecer “preciso”, embora o desvio acumulado final ainda se torne significativo.

Para membros de aço de armazéns fabricados em lotes, pelo menos três níveis de referências devem ser claramente definidos nos documentos de detalhamento e fabricação. O primeiro nível é a referência de controle do membro, como a linha central de uma coluna, a face de controle da extremidade de uma viga ou a linha central da alma. O segundo nível é a referência da peça da placa de conexão, como uma aresta de localização, uma linha central ou um furo de referência. O terceiro nível é a referência do grupo interno de furos, como a posição do primeiro furo, a direção do espaçamento entre furos e o eixo de simetria do grupo de furos.

Isso é especialmente importante para peças espelhadas, placas de conexão esquerda e direita e membros repetitivos em edifícios com múltiplas baias. Devem ser evitados erros nos quais "o contorno é o mesmo, mas a orientação do grupo de furos é invertida". Equipamentos digitais podem melhorar a reprodutibilidade, mas não eliminam automaticamente uma referência incorreta. Dados NC incorretos simplesmente reproduzirão o mesmo erro de forma mais consistente em todo um lote. A verificação do primeiro artigo permanece, portanto, um processo essencial.

3. A inspeção de grupos de furos deve evoluir de verificações individuais de furos para "inspeção de relações coordenadas"

A inspeção de uma placa de conexão não deve se limitar ao diâmetro dos furos e ao espaçamento entre furos adjacentes. Uma abordagem mais eficaz é utilizar um conjunto de dimensões mutuamente verificáveis para determinar se o grupo de furos sofreu deslocamento ou rotação como um todo. Essas dimensões incluem a distância do primeiro furo até duas arestas de referência, o espaçamento entre furos adjacentes, o espaçamento cumulativo entre furos, a largura e a altura totais do grupo de furos, as duas diagonais e as dimensões gerais da placa de conexão.

As duas diagonais são particularmente valiosas. Se o espaçamento horizontal e vertical dos furos for basicamente correto, mas as duas diagonais diferirem de forma notável, o grupo de furos ou a chapa pode ter sofrido deformação por cisalhamento ou rotação, ou o contorno da chapa pode não ser quadrado. Se todos os espaçamentos entre furos forem corretos, mas a distância do primeiro furo à borda de referência for anormal, é mais provável que tenha ocorrido uma translação geral do grupo de furos. Se os dados forem corretos durante a usinagem da chapa, mas mudarem após a soldagem, a atenção deve se deslocar para a contração por soldagem e o posicionamento de montagem, em vez de continuar investigando o equipamento de perfuração.

Para conexões com múltiplos furos, como chapas de extremidade de vigas, chapas de emenda de colunas e chapas de reforço de contraventamento, a inspeção também deve incluir a perpendicularidade, a planicidade e o ângulo da chapa de conexão em relação ao eixo do elemento. A inserção de parafusos no campo é um problema tridimensional; as coordenadas bidimensionais corretas dos furos constituem apenas uma parte dele.

4. A perfuração CNC, o corte térmico e a punção têm limites de aplicação adequados diferentes

Nas modernas fábricas de fabricação de aço, os furos de ligação podem ser produzidos por perfuração CNC, corte térmico a laser ou plasma, punção seguida de alargamento e outros métodos. O método de usinagem não deve ser escolhido com base apenas na velocidade. Também devem ser consideradas a espessura da chapa, o diâmetro do furo, o tipo de furo, a quantidade de produção, a norma de execução e a importância da ligação.

A perfuração CNC oferece qualidade relativamente estável nas paredes dos furos e repetibilidade dimensional, tornando-a especialmente adequada para ligações parafusadas de alta resistência e grupos de furos que exigem maior precisão de coaxialidade. Contudo, a perfuração ainda pode sofrer com desgaste da broca, desalinhamento do eixo principal, fixação insuficiente e empenamento da chapa, o que provoca desvio das coordenadas. Uma coordenada correta exibida pela máquina não significa necessariamente que o centro real do furo esteja correto; portanto, a inspeção do primeiro artigo e as amostragens durante o processo não podem ser omitidas.

O corte térmico pode produzir o contorno da chapa e os furos numa única operação e oferece alta eficiência, mas a geometria dos furos também envolve a perpendicularidade da face de corte, escória, rugosidade e efeitos térmicos. A norma ISO 9013 abrange as especificações geométricas do produto e as tolerâncias de qualidade para corte térmico e foi alterada em 2024. Se um documento de projeto fizer referência a esta norma, a inspeção não pode limitar-se ao diâmetro dos furos, ignorando a classe de qualidade da superfície cortada. Se um furo específico para parafuso pode ser produzido por corte térmico deve seguir a norma de execução, os documentos de projeto e os requisitos técnicos de aquisição aplicáveis ao projeto.

A perfuração é eficiente para produção em lote sob certas condições de espessura da chapa e diâmetro do furo, mas é necessário controlar a deformação plástica na borda do furo, as rebarbas e a precisão coaxial da alargamento subsequente. Nenhum método de usinagem é, por natureza, 'mais avançado'. A fabricação profissional significa selecionar o método com base no desempenho da conexão e na norma de execução aplicável.

5. As posições dos furos devem ser reavaliadas após a soldagem: a chapa de conexão tornou-se parte integrante do elemento estrutural

Muitos problemas de desalinhamento de furos no campo não se originam durante a usinagem das peças; surgem após a chapa de conexão ter sido soldada a uma viga ou coluna. A soldagem de chapas de extremidade, a soldagem de consolos e as soldas concentradas ao redor de rigidizadores introduzem contração. Se a restrição durante a montagem for inadequada, a chapa de conexão pode sofrer leve rotação ou empenamento, enquanto o próprio elemento estrutural pode desenvolver curvatura ou torção.

Portanto, para grupos críticos de furos, reter apenas o "registro de inspeção de usinagem da peça" não é suficiente. Após a conclusão da soldagem e do alinhamento do membro e seu resfriamento natural, as superfícies críticas de conexão devem ser remensuradas. Isso não significa verificar novamente todas as dimensões. Em vez disso, a reinspeção deve concentrar-se em itens de controle que indiquem a capacidade de encaixe no campo, tais como a distância da face final da viga até a primeira fileira de furos, a distância do centro do grupo de furos até a linha central da alma, a perpendicularidade da chapa de extremidade e a relação posicional dos grupos de furos nas duas extremidades em relação ao eixo do membro.

A ISO 13920:2023 especifica classes gerais de tolerância para dimensões lineares, ângulos, forma e posição em estruturas soldadas. Contudo, a classe específica a ser aplicada deve ser definida pelos desenhos, pelo contrato ou pelos documentos de execução do projeto. Para a execução em aço estrutural, as normas EN 1090-2 e AISC 303 também enfatizam que as tolerâncias de fabricação e montagem devem ser coordenadas com os documentos contratuais e com a função estrutural. Em outras palavras, uma única classe genérica de tolerância não deve ser utilizada para cobrir todas as ligações críticas.

6. O verdadeiro risco na produção em lote é estar ‘consistentemente errado’

Um desvio ocasional em uma única peça normalmente é fácil de detectar. Na produção em lote, erros sistemáticos são mais perigosos. Por exemplo, se a coordenada do primeiro furo em um programa NC for inserida incorretamente em 2 mm, a máquina pode repetir esse mesmo erro de forma consistente nas próximas cem chapas de conexão. Da mesma forma, se um bloco de parada em um dispositivo de montagem for deslocado, cada chapa terminal de viga pode apresentar um erro angular na mesma direção.

Por essa razão, membros fabricados em lote exigem o conceito de "tendência de erro", em vez de depender apenas de uma avaliação final de aprovação/reprovação. Após a aprovação da primeira peça, as dimensões críticas devem ser amostradas periodicamente. Se pontos consecutivos de dados se desviarem na mesma direção, ferramentas, dispositivos de montagem, blocos de localização, coordenadas da máquina e planicidade do material devem ser verificados antes que o desvio permitido seja excedido. O valor dos registros estatísticos reside no fato de que eles revelam a tendência enquanto o produto ainda estiver em conformidade.

Este método é especialmente eficaz para projetos de armazéns com estrutura em portal altamente repetitivos. Envolve grandes quantidades de chapas de reforço entre colunas, chapas de extremidade entre vigas e colunas, suportes para terças e peças semelhantes. Se um desalinhamento sistemático de grupos de furos não for detectado até a fase de montagem no local, o custo de retrabalho será muito maior do que corrigir o processo na oficina.

Tabela 1 – Matriz Diagnóstica Rápida para Desajuste de Grupos de Furos

7. Tratamento de furos desalinhados no local: compreender o mecanismo de ligação antes de decidir se ele pode ser "reparado"

Quando os furos não coincidem no local, a resposta menos profissional é cortá-los imediatamente com maçarico ou ampliá-los arbitrariamente. Furos-padrão, furos ampliados, furos alongados curtos e furos alongados longos em ligações parafusadas de alta resistência não são geometricamente intercambiáveis; cada tipo corresponde a diferentes condições de projeto de ligação. As disposições sobre ligações parafusadas da AISC 360 e a Especificação RCSC para juntas parafusadas de alta resistência distinguem os tipos de furos e suas utilizações permitidas.

A ação no campo deve, portanto, começar pela exclusão das causas mais simples: se o elemento está totalmente encaixado, se o escoramento temporário desalinhou o elemento, se rebarbas, acúmulo de revestimento ou respingos de solda obstruem os furos e se existe uma folga não intencional entre as superfícies de contato. Se o problema for causado por desalinhamento do elemento, o alinhamento correto deve ser restaurado primeiro. Se for causado por uma obstrução local, a obstrução deve ser removida sem alterar o tipo de furo projetado.

Quando a alargamento de furos, a conversão de um furo em uma ranhura ou qualquer outra alteração da geometria original da conexão for realmente necessária, o tratamento deve ser confirmado pelo projetista ou engenheiro responsável. O aumento do diâmetro ou a alteração de um furo podem afetar a resistência ao esmagamento, a área líquida, o comportamento ao deslizamento, a distância até a borda e os requisitos relativos a arruelas ou chapas. Se vários furos apresentarem deslocamento sistemático, não se deve simplesmente “modificar individualmente cada furo até que o parafuso se encaixe”. Em vez disso, devem-se rastrear as referências (datums) do elemento estrutural e sua geometria global, para que um erro sistemático de fabricação não seja mascarado como uma pequena correção no campo.

8. Recomendação Especial de Controle de Qualidade: Tornar os Dados dos Grupos de Furos Rastreáveis

Para projetos de armazéns com estrutura de aço que envolvam grandes quantidades de elementos repetitivos e uma sequência rápida de montagem, a qualidade dos grupos de furos é melhor suportada por registros digitais rastreáveis. Não é necessário criar um relatório complexo de máquina de medição por coordenadas para cada chapa, mas os elementos críticos devem, no mínimo, ser rastreáveis até a marca do elemento, o número da peça, o equipamento ou posto de trabalho de usinagem, o resultado da aprovação do primeiro artigo, os dados de reinspeção pós-soldagem e os registros de qualquer disposição de não conformidade.

Recomenda-se uma abordagem de inspeção em três etapas. Após a conclusão da peça, verificar o diâmetro dos furos, as coordenadas dos grupos de furos e a geometria da chapa. Após a soldagem do membro, verificar a orientação da superfície de conexão e a posição dos grupos críticos de furos em relação ao eixo do membro. Antes do envio, utilizar verificações dimensionais no nível do membro para confirmar a capacidade de encaixe. Para juntas em que o projeto permitir pré-montagem ou montagem experimental na oficina, o resultado dessa montagem experimental pode ser utilizado como verificação, em vez de tratar a montagem experimental como uma etapa de retrabalho aplicada apenas após a ocorrência de problemas.

O valor desse controle direcionado não é criar mais formulários de inspeção, mas sim possibilitar a identificação rápida da etapa de transferência de referência em que ocorreu um erro. O que um fabricante realmente precisa controlar não é apenas um único furo, mas toda a cadeia contínua de precisão — desde os dados de detalhamento até a inserção bem-sucedida dos parafusos no local.

Conclusão

A precisão de conexão em um armazém de estrutura de aço pode parecer um detalhe de fabricação, mas afeta diretamente a eficiência da montagem, o desempenho das juntas e a qualidade geral da entrega do projeto. A conformidade das dimensões individuais dos furos é apenas o nível mais básico de aceitação. Uma abordagem mais confiável consiste em estabelecer coordenadas de grupos de furos em torno de referências unificadas e utilizar verificação de primeira peça, monitoramento de tendências do processo e reinspeção pós-soldagem dos elementos para converter a precisão no nível de peça em precisão de encaixe dos elementos.

Códigos e Normas de Referência

1. BS EN 1090-2:2018+A1:2024: Execução de estruturas de aço e estruturas de alumínio — Requisitos técnicos para estruturas de aço. Uma referência sistemática para fabricação, montagem, tolerâncias geométricas, inspeção e requisitos de execução de estruturas de aço.

2. ISO 9013:2017 + Amd 1:2024: Corte térmico — Classificação de cortes térmicos — Especificação geométrica do produto e tolerâncias de qualidade. Utilizado para a classificação da qualidade geométrica e das tolerâncias em cortes térmicos a chama, plasma e laser.

3. ISO 13920:2023: Soldagem — Tolerâncias gerais para estruturas soldadas — Dimensões de comprimentos e ângulos, forma e posição. Utilizado para a classificação geral de tolerâncias que abrange dimensões lineares, ângulos, forma e posição de estruturas soldadas.

4. ANSI/AISC 303-22: Código de Prática Padrão para Edifícios e Pontes de Aço. Utilizado como referência para práticas gerais de fabricação e montagem de estruturas de aço, incluindo tolerâncias de fabricação e montagem.

5. ANSI/AISC 360-22: Especificação para Edifícios de Aço Estrutural. Utilizado para os requisitos de projeto de ligações em aço estrutural, incluindo tipos de furos para parafusos.

6. RCSC Specification 2020: Especificação para Juntas Estruturais com Parafusos de Alta Resistência. Utilizada para tipos de furos, instalação e comportamento de conexão em juntas estruturais com parafusos de alta resistência, servindo como base importante para avaliar se o alargamento de furos no campo ou uma alteração no tipo de furo é aceitável.

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