Em diversas situações estruturais, os engenheiros podem precisar avaliar a resistência de juntas feitas por soldas e fixadores mecânicos. Atualmente, os fixadores mecânicos geralmente são parafusos, mas projetos mais antigos podem utilizar rebites.
Isso pode acontecer durante reformas, ampliações ou melhorias em um projeto. Um novo projeto pode exigir que parafusos e soldas funcionem em conjunto em uma junta onde o material a ser unido é primeiro parafusado e depois soldado para garantir a resistência total da junta.
No entanto, determinar a capacidade de carga total de uma junta não é tão simples quanto somar a carga de cada componente individual (soldas, parafusos e rebites). Tal suposição pode levar a consequências desastrosas.
As conexões aparafusadas são descritas na Especificação de Juntas Estruturais do Instituto Americano de Estruturas de Aço (AISC), que utiliza parafusos ASTM A325 ou A490 como parafusos de fixação, pré-carga ou chaveta deslizante.
Aperte bem as conexões com uma chave de impacto ou, se preferir, utilize uma chave de boca dupla convencional para garantir que as camadas estejam em contato firme. Em uma conexão pré-tensionada, os parafusos são instalados de forma a serem submetidos a cargas de tração significativas, enquanto as placas são submetidas a cargas de compressão.
1. Gire a porca. O método para girar a porca consiste em apertar o parafuso e, em seguida, girar a porca mais um pouco, dependendo do diâmetro e do comprimento do parafuso.
2. Calibre a chave. O método da chave calibrada mede o torque associado à tensão do parafuso.
3. Parafuso de ajuste de tensão tipo torção. Os parafusos de tensão de torção possuem pequenos pinos na extremidade oposta à cabeça do parafuso. Quando o torque necessário é atingido, o pino é desaparafusado.
4. Indicador de tração direta. Os indicadores de tensão direta são arruelas especiais com abas. A quantidade de compressão na aba indica o nível de tensão aplicada ao parafuso.
Em termos simples, os parafusos funcionam como pinos em juntas apertadas e pré-tensionadas, assim como um pino de latão que mantém unida uma pilha de papel perfurado. Juntas deslizantes críticas funcionam por atrito: a pré-carga cria uma força descendente, e o atrito entre as superfícies de contato atua em conjunto para resistir ao deslizamento da junta. É como uma pasta que mantém uma pilha de papéis unida, não porque furos são feitos no papel, mas porque a pasta pressiona os papéis e o atrito mantém a pilha unida.
Os parafusos ASTM A325 têm uma resistência à tração mínima de 150 a 120 kg por polegada quadrada (KSI), dependendo do diâmetro do parafuso, enquanto os parafusos A490 devem ter uma resistência à tração de 150 a 170 KSI. As juntas rebitadas comportam-se mais como juntas apertadas, mas, neste caso, os pinos são rebites que normalmente têm cerca de metade da resistência de um parafuso A325.
Quando uma junta fixada mecanicamente é submetida a forças de cisalhamento (quando um elemento tende a deslizar sobre o outro devido a uma força aplicada), duas coisas podem acontecer. Os parafusos ou rebites podem estar nas laterais dos furos, fazendo com que se rompam simultaneamente. A segunda possibilidade é que o atrito causado pela força de aperto dos fixadores pré-tensionados seja suficiente para suportar as cargas de cisalhamento. Não se espera deslizamento nessa conexão, mas ele é possível.
Uma conexão firme é aceitável para muitas aplicações, pois um pequeno deslizamento não afeta negativamente as características da conexão. Por exemplo, considere um silo projetado para armazenar material granular. Pode haver um pequeno deslizamento durante o primeiro carregamento. Uma vez ocorrido o deslizamento, ele não se repetirá, pois todas as cargas subsequentes são da mesma natureza.
A inversão de carga é utilizada em algumas aplicações, como quando elementos rotativos são submetidos a cargas alternadas de tração e compressão. Outro exemplo é um elemento de flexão submetido a cargas totalmente invertidas. Quando há uma mudança significativa na direção da carga, uma conexão pré-tensionada pode ser necessária para eliminar o deslizamento cíclico. Esse deslizamento, eventualmente, leva a um maior deslizamento nos furos alongados.
Algumas juntas são submetidas a muitos ciclos de carga, o que pode levar à fadiga. Isso inclui prensas, suportes de guindastes e conexões em pontes. Conexões críticas ao deslizamento são necessárias quando a conexão é submetida a cargas de fadiga na direção oposta. Para esses tipos de condições, é muito importante que a junta não deslize, portanto, são necessárias juntas críticas ao deslizamento.
As conexões aparafusadas existentes podem ser projetadas e fabricadas de acordo com qualquer uma dessas normas. As conexões rebitadas são consideradas estanques.
As juntas soldadas são rígidas. As juntas de solda são mais complexas. Ao contrário das juntas aparafusadas, que podem deslizar sob carga, as soldas não precisam se esticar e distribuem a carga aplicada de forma significativa. Na maioria dos casos, os fixadores mecânicos soldados e os fixadores com apoio não se deformam da mesma maneira.
Quando se utilizam soldas com fixadores mecânicos, a carga é transferida através da parte mais resistente, de modo que a solda pode suportar quase toda a carga, com muito pouca compartilhada com o parafuso. É por isso que se deve ter cuidado ao soldar, parafusar e rebitar. Especificações. A AWS D1 resolve o problema da combinação de fixadores mecânicos e soldas. A Especificação 1:2000 para soldagem estrutural – aço. O parágrafo 2.6.3 afirma que, para rebites ou parafusos usados ​​em juntas de apoio (ou seja, onde o parafuso ou rebite atua como um pino), os fixadores mecânicos não devem ser considerados como compartilhando a carga com a solda. Se a soldagem for utilizada, ela deve ser dimensionada para suportar toda a carga na junta. No entanto, conexões soldadas a um elemento e rebitadas ou parafusadas a outro elemento são permitidas.
Ao utilizar fixadores mecânicos do tipo rolamento e adicionar soldas, a capacidade de carga do parafuso é amplamente negligenciada. De acordo com essa norma, a solda deve ser projetada para suportar todas as cargas.
Isso é essencialmente o mesmo que a norma AISC LRFD-1999, cláusula J1.9. No entanto, a norma canadense CAN/CSA-S16.1-M94 também permite o uso independente quando a potência do fixador mecânico ou parafuso for maior que a da soldagem.
Neste caso, três critérios são consistentes: as possibilidades de fixação mecânica do tipo rolamento e as possibilidades de soldagem não se somam.
A seção 2.6.3 da AWS D1.1 também aborda situações em que parafusos e soldas podem ser combinados em uma junta de duas partes, como mostrado na Figura 1. Soldas à esquerda, parafusos à direita. A força total das soldas e dos parafusos pode ser considerada aqui. Cada parte da conexão opera de forma independente. Portanto, este código é uma exceção ao princípio contido na primeira parte da seção 2.6.3.
As regras discutidas aplicam-se a novas construções. Para estruturas existentes, a cláusula 8.3.7 D1.1 estabelece que, quando os cálculos estruturais demonstrarem que um rebite ou parafuso será sobrecarregado por uma nova carga total, apenas a carga estática existente deverá ser atribuída a ele.
As mesmas regras exigem que, se um rebite ou parafuso for sobrecarregado apenas com cargas estáticas ou sujeito a cargas cíclicas (fadiga), seja adicionada uma quantidade suficiente de metal base e soldas para suportar a carga total.
A distribuição de carga entre fixadores mecânicos e soldas é aceitável se a estrutura estiver pré-tensionada, ou seja, se houver deslizamento entre os elementos conectados. No entanto, apenas cargas estáticas podem ser aplicadas aos fixadores mecânicos. Cargas variáveis ​​que podem levar a um maior deslizamento devem ser protegidas pelo uso de soldas capazes de suportar toda a carga.
As soldas devem ser projetadas para suportar todas as cargas aplicadas ou dinâmicas. Quando os fixadores mecânicos já estão sobrecarregados, a distribuição da carga não é permitida. Sob cargas cíclicas, a distribuição da carga também não é permitida, pois a carga pode levar ao deslizamento permanente e à sobrecarga da solda.
Ilustração. Considere uma junta sobreposta que foi originalmente parafusada firmemente (veja a Figura 2). A estrutura adiciona potência extra, e conexões e conectores devem ser adicionados para fornecer o dobro da resistência. A Figura 3 mostra o plano básico para reforçar os elementos. Como a conexão deve ser feita?
Como o novo aço precisava ser unido ao antigo por meio de soldas de filete, o engenheiro decidiu adicionar algumas soldas de filete na junta. Como os parafusos ainda estavam no lugar, a ideia original era adicionar apenas as soldas necessárias para transferir a potência extra para o novo aço, esperando que 50% da carga fosse suportada pelos parafusos e 50% pelas novas soldas. Isso é aceitável?
Vamos assumir inicialmente que não há cargas estáticas aplicadas à conexão. Nesse caso, aplica-se o parágrafo 2.6.3 da AWS D1.1.
Nesse tipo de junta de apoio, não se pode considerar que a solda e o parafuso compartilhem a carga; portanto, a dimensão especificada da solda deve ser grande o suficiente para suportar toda a carga estática e dinâmica. A capacidade de carga dos parafusos, neste exemplo, não pode ser levada em conta, pois, sem carga estática, a conexão ficará frouxa. A solda (projetada para suportar metade da carga) rompe-se inicialmente quando a carga total é aplicada. Em seguida, o parafuso, também projetado para transferir metade da carga, tenta transferir a carga restante e se rompe.
Suponha ainda que uma carga estática seja aplicada. Além disso, presume-se que a conexão existente seja suficiente para suportar a carga permanente existente. Nesse caso, aplica-se o parágrafo 8.3.7 D1.1. As novas soldas precisam apenas suportar o aumento das cargas estáticas e das cargas variáveis ​​gerais. As cargas permanentes existentes podem ser atribuídas aos fixadores mecânicos existentes.
Sob carga constante, a conexão não cede. Em vez disso, os parafusos já suportam sua carga. Ocorreu algum deslizamento na conexão. Portanto, soldas podem ser usadas e podem transmitir cargas dinâmicas.
A resposta à pergunta “Isso é aceitável?” depende das condições de carga. No primeiro caso, na ausência de uma carga estática, a resposta será negativa. Sob as condições específicas do segundo cenário, a resposta é sim.
O simples fato de uma carga estática ser aplicada não significa necessariamente que seja possível chegar a uma conclusão definitiva. O nível das cargas estáticas, a adequação das conexões mecânicas existentes e a natureza das cargas nas extremidades — sejam elas estáticas ou cíclicas — podem alterar a resposta.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Gerente do Centro de Tecnologia de Soldagem, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. A Lincoln Electric fabrica equipamentos e consumíveis de soldagem em todo o mundo. Os engenheiros e técnicos do Centro de Tecnologia de Soldagem ajudam os clientes a solucionar problemas de soldagem.
American Welding Society, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, telefone 305-443-9353, fax 305-443-7559, site www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, telefone 610-832-9585, fax 610-832-9555, site www.astm.org.
American Steel Structures Association, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, telefone 312-670-2400, fax 312-670-5403, site www.aisc.org.
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