Em diversas situações estruturais, os engenheiros podem precisar avaliar a resistência das juntas feitas por soldas e fixadores mecânicos. Hoje em dia, os fixadores mecânicos geralmente são parafusos, mas projetos mais antigos podem ter rebites.
Isso pode acontecer durante atualizações, reformas ou melhorias em um projeto. Um novo projeto pode exigir que parafusos e soldas funcionem juntos em uma junta onde o material a ser unido é primeiro parafusado e depois soldado para fornecer resistência total à junta.
No entanto, determinar a capacidade total de carga de uma junta não é tão simples quanto somar a soma dos componentes individuais (soldas, parafusos e rebites). Tal suposição pode levar a consequências desastrosas.
As conexões parafusadas são descritas na Especificação de Juntas Estruturais do Instituto Americano de Estruturas de Aço (AISC), que usa parafusos ASTM A325 ou A490 como montagem firme, pré-carga ou chaveta deslizante.
Aperte as conexões firmemente com uma chave de impacto ou com uma chave de boca dupla convencional para garantir que as camadas estejam em contato firme. Em uma conexão protendida, os parafusos são instalados de forma que sejam submetidos a cargas de tração significativas, e as placas, a cargas de compressão.
1. Gire a porca. O método de girar a porca envolve apertar o parafuso e, em seguida, girá-la um pouco mais, o que depende 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 do tipo torção. Os parafusos de tensão do tipo torção possuem pequenos pinos na extremidade oposta à cabeça. Quando o torque necessário é atingido, o pino é desparafusado.
4. Indicador de tração direta. Os indicadores de tensão direta são arruelas especiais com abas. A quantidade de compressão na saliência indica o nível de tensão aplicada ao parafuso.
Em termos simples, parafusos agem como pinos em juntas apertadas e pré-tensionadas, 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 um fichário que mantém unida uma pilha de papéis, não porque furos são feitos no papel, mas porque o fichário 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 se comportam mais como juntas estanques, mas, neste caso, os pinos são rebites que normalmente têm cerca de metade da resistência de um parafuso A325.
Uma de duas coisas pode acontecer quando uma junta fixada mecanicamente é submetida a forças de cisalhamento (quando um elemento tende a deslizar sobre outro devido a uma força aplicada). Parafusos ou rebites podem estar nas laterais dos furos, fazendo com que os parafusos ou rebites se soltem simultaneamente. A segunda possibilidade é que o atrito causado pela força de fixação dos fixadores pré-tensionados possa suportar cargas de cisalhamento. Não se espera deslizamento para esta conexão, mas é possível.
Uma conexão firme é aceitável para muitas aplicações, pois um leve deslizamento não pode afetar negativamente as características da conexão. Por exemplo, considere um silo projetado para armazenar material granular. Pode haver um leve deslizamento ao carregar pela primeira vez. Uma vez que o deslizamento ocorra, ele não se repetirá, pois todas as cargas subsequentes são da mesma natureza.
A reversão 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 reversas. Quando há uma mudança significativa na direção da carga, uma conexão pré-carregada pode ser necessária para eliminar o deslizamento cíclico. Esse deslizamento eventualmente leva a mais deslizamento nos furos alongados.
Algumas juntas sofrem muitos ciclos de carga que podem levar à fadiga. Isso inclui prensas, suportes de guindastes e conexões em pontes. Conexões críticas deslizantes são necessárias quando a conexão é submetida a cargas de fadiga na direção inversa. Para esses tipos de condições, é muito importante que a junta não deslize, portanto, juntas críticas deslizantes são necessárias.
As conexões aparafusadas existentes podem ser projetadas e fabricadas de acordo com qualquer uma dessas normas. Conexões rebitadas são consideradas estanques.
Juntas soldadas são rígidas. Juntas soldadas são complexas. Ao contrário das juntas parafusadas, que podem escorregar sob carga, as soldas não precisam se esticar e distribuir a carga aplicada em grande extensão. Na maioria dos casos, fixadores mecânicos soldados e de rolamento não se deformam da mesma forma.
Quando soldas são usadas com fixadores mecânicos, a carga é transferida através da parte mais dura, de modo que a solda pode suportar quase toda a carga, com muito pouco compartilhado com o parafuso. É por isso que se deve ter cuidado ao soldar, aparafusar e rebitar. Especificações. A AWS D1 resolve o problema da mistura de fixadores mecânicos e soldas. Especificação 1:2000 para soldagem estrutural – aço. O parágrafo 2.6.3 afirma que, para rebites ou parafusos usados ​​em juntas do tipo mancal (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 usada, eles devem ser fornecidos para suportar a carga total na junta. No entanto, conexões soldadas a um elemento e rebitadas ou aparafusadas a outro elemento são permitidas.
Ao utilizar fixadores mecânicos do tipo mancal e adicionar soldas, a capacidade de carga do parafuso é amplamente negligenciada. De acordo com esta disposição, a solda deve ser projetada para transferir todas as cargas.
Isto é essencialmente o mesmo que a cláusula J1.9 do AISC LRFD-1999. No entanto, a norma canadense CAN/CSA-S16.1-M94 também permite o uso independente quando a potência do fixador ou parafuso mecânico for maior que a da soldagem.
Nesta questão, três critérios são consistentes: as possibilidades de fixações mecânicas do tipo rolamento e as possibilidades de soldas não se somam.
A Seção 2.6.3 da AWS D1.1 também discute situações em que parafusos e soldas podem ser combinados em uma junta de duas partes, conforme mostrado na Figura 1. Soldas à esquerda, parafusadas à direita. A potência total das soldas e 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 2.6.3.
As regras que acabamos de discutir aplicam-se a novas construções. Para estruturas existentes, a cláusula 8.3.7 D1.1 estabelece que, quando os cálculos estruturais indicarem que um rebite ou parafuso será sobrecarregado por uma nova carga total, apenas a carga estática existente deve ser atribuída a ele.
As mesmas regras exigem que, se um rebite ou parafuso for sobrecarregado apenas com cargas estáticas ou submetido a cargas cíclicas (fadiga), metal base e soldas suficientes devem ser adicionados para suportar a carga total.
A distribuição de carga entre fixadores mecânicos e soldas é aceitável se a estrutura estiver pré-carregada, ou seja, se houver deslizamento entre os elementos conectados. No entanto, apenas cargas estáticas podem ser aplicadas aos fixadores mecânicos. Cargas móveis que podem levar a um deslizamento maior devem ser protegidas com o uso de soldas capazes de suportar toda a carga.
As soldas devem ser utilizadas para suportar todas as cargas aplicadas ou dinâmicas. Quando os fixadores mecânicos já estão sobrecarregados, o compartilhamento de carga não é permitido. Sob carga cíclica, o compartilhamento de carga não é permitido, 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 aço 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, prevendo que 50% da carga passasse pelos parafusos e 50% pelas novas soldas. É aceitável?
Vamos primeiro supor que nenhuma carga estática esteja sendo aplicada à conexão. Nesse caso, aplica-se o parágrafo 2.6.3 da AWS D1.1.
Nesta junta de apoio, não se pode considerar que a solda e o parafuso compartilham a carga, portanto, o tamanho da solda especificado deve ser grande o suficiente para suportar toda a carga estática e dinâmica. A capacidade de carga dos parafusos neste exemplo não pode ser considerada, pois, sem uma carga estática, a conexão ficará frouxa. A solda (projetada para suportar metade da carga) inicialmente se rompe quando a carga total é aplicada. Em seguida, o parafuso, também projetado para transferir metade da carga, tenta transferir a carga 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. Neste caso, aplica-se o parágrafo 8.3.7 D1.1. Novas soldas precisam suportar apenas cargas estáticas e cargas móveis gerais aumentadas. Cargas permanentes existentes podem ser atribuídas a fixadores mecânicos existentes.
Sob carga constante, a conexão não cede. Em vez disso, os parafusos já suportam a carga. Houve algum deslizamento na conexão. Portanto, soldas podem ser usadas e transmitem cargas dinâmicas.
A resposta à pergunta "Isso é aceitável?" depende das condições de carga. No primeiro caso, na ausência de carga estática, a resposta será negativa. Nas condições específicas do segundo cenário, a resposta é sim.
Nem sempre é possível tirar uma conclusão apenas pela aplicação de uma carga estática. O nível das cargas estáticas, a adequação das conexões mecânicas existentes e a natureza das cargas finais — 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. Engenheiros e técnicos do Centro de Tecnologia de Soldagem ajudam os clientes a resolver 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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