Soldas Introdução Agora que você já estudou os critérios básicos determinados pela norma brasileira sobre ligações, é hora de estudar os sistemas construtivos de ligações em si. Este tema será focado nas soldas, largamente utilizadas em construções metálicas por simplificarem a ligação em comparação com as ligações parafusadas. Apesar disso, ligações soldadas apresentam características que muitas vezes inviabilizam sua utilização, como a exigência de mão de obra especializada, necessidade de fonte de energia, montagem de andaimes e necessidade de proteção do ambiente de soldagem contra intempéries climáticas. Por esse motivo, ligações soldadas são preferidas em montagens de ligações feitas em ambiente de chão de fábrica. Ao final desta aula, você será capaz de: descrever a sistemática e aspectos relevantes para o dimensionamento de solda, mostrando e conceituando as fórmulas, incógnitas e suas relações. Generalidades A NBR 8800 (2008) se baseia nas disposições do Código de Soldagem Estrutural da AWS (American Welding Society). Entretanto, a norma determina exceções para alguns procedimentos daquele documento, no que diz respeito a recortes de janelas para acesso a soldagens, ligações de perfis tubulares e algumas prescrições de filetes de solda que são detalhadas especificamente. FIQUE ATENTO A norma brasileira é fortemente baseada em normas internacionais, tanto americanas quanto europeias. O dimensionamento de soldas tem influência dos estudos realizados pela American Welding Society, e os documentos completos dessa associação podem ser encontrados na sua página, em inglês. O endereço para acesso é: <https://www.aws.org/certification/detail/awsd11-structural-welding-steel>. Além disso, a norma determina que projetos de estruturas metálicas indiquem e detalhem procedimentos de soldas, no que diz respeito a comprimentos e retornos. Existem quatro tipos normatizados de ligação soldada para estruturas metálicas. Argenta (2010) cita que, de maneira aproximada, a incidência de cada tipo de solda em projetos corresponde a: soldas de filete: 80%; soldas de entalhe, total ou parcial: 15%; soldas de tampão e outras soldas especiais: 5%. - 1 -
Áreas efetivas As disposições normativas sobre áreas efetivas de soldas dependem do tipo construtivo utilizado na ligação. Soldas por penetração total ou parcial Segundo a NBR 8800 (2008), a área efetiva dessas soldas deve ser calculada como: Em que L é o comprimento efetivo de uma solda que, no caso da penetração total ou parcial, é o seu s comprimento real, igual à largura da parte ligada, e e é a espessura da garganta efetiva, que, nesse caso, g corresponde à menor das espessuras das partes soldadas. Figura 1 - Elementos soldados por penetração total Fonte: Argenta, 2010, p. 97. A norma ainda especifica a espessura da garganta efetiva em função do processo de soldagem utilizado. SAIBA MAIS Os processos de soldagem utilizados na construção de estruturas metálicas estão detalhados no material do professor Marco Argenta. Consulte-o e obtenha mais informações sobre as ligações soldadas. Disponível em: <http://www.estruturas.ufpr.br/wp-content/uploads/2016 /05/Capitulo101.pdf>. - 2 -
Figura 2 - Espessura da garganta efetiva em soldas de penetração Fonte: ABNT, 2008, p. 67. No caso de soldas por penetração de superfícies curvas, a norma estabelece os critérios descritos na figura a seguir. Figura 3 - Espessura da garganta efetiva em soldas de penetração em juntas de superfície curva Fonte: ABNT, 2008, p. 68. - 3 -
Soldas por filete Da mesma forma que no caso anterior, a área efetiva dessas soldas deve ser calculada como: Em que L é o comprimento efetivo de uma solda que, no caso do filete longitudinal, é dado pelo comprimento s total da solda multiplicado pelo fator redutor β, igual a: Onde L é o comprimento total do filete e d é o tamanho da menor perna do filete, que podem ser observados w w na Figura 4. A norma também determina que o valor de β fique entre 0,6 e 1,0. Caso o valor resulte menor do que 0,6, o projetista deve alterar as dimensões construtivas. - 4 -
Figura 4 - Elementos componentes da solda de filete Fonte: Argenta, 2010, p. 99. Soldas de tampão em furos ou rasgos Esse tipo de solda é aplicável em situações em que elementos são ligados sobrepostos e em que o contato da solda é feito através do preenchimento de uma cavidade em um desses elementos, conforme você pode observar na figura a seguir. - 5 -
Figura 5 - Ligação por solda de tampão em rasgo (esq.) e em furo (dir.) Fonte: Argenta, 2010, p. 97. A norma determina que seja considerada a área efetiva desse tipo de ligação soldada à área nominal do furo ou rasgo no plano das superfícies ligadas. Combinação de tipos diferentes de soldas Caso o projetista deseje ou necessite criar uma combinação de dois ou mais tipos de soldas, a resistência de dimensionamento deve ser feita de forma separada, de cada um dos tipos de solda, referentes ao eixo da ligação, a fim de se determinar a resistência total do conjunto. EXEMPLO Em uma ligação em que foi detalhada solda por filete e, no caso, não foi possível atingir a resistência de dimensionamento necessária, pode-se detalhar um ponto de solda por tampão em um dos elementos ligados. Nesse caso, a resistência da ligação é a soma entre a resistência das duas soldas, respeitadas as condições apresentadas adiante. No caso de uma solda por penetração parcial compor o conjunto, deve-se basear a resistência do conjunto na seção crítica da solda e do metal-base ligada a essa solda, por ser este um ponto frágil da ligação. - 6 -
Exigências relativas ao metal da solda e aos procedimentos de soldagem A norma brasileira elenca os metais-base mais utilizados em estruturas metálicas e os procedimentos de solda compatíveis com esses metais, a partir de estudos da AWS. Note que a Figura 6 apresenta a correlação de compatibilidade entre metal e procedimento de soldagem para diversos casos. FIQUE ATENTO Elementos não citados pela norma brasileira podem ser consultados em normas internacionais. Eventualmente, em projetos para outros países, tecnologias de soldas não disponíveis no Brasil podem ser utilizadas, portanto, o projetista deve sempre estar atualizado com a normatização internacional. - 7 -
Figura 6 - Compatibilidade entre solda e metal-base Fonte: ABNT, 2008, p. 70. Força resistente de cálculo A força resistente de soldas - Fw,Rd - deve ser tratada especificamente para cada tipo construtivo de ligação metálica. Para todos os casos, AMB representa a área do metal-base (comprimento da solda multiplicado pela espessura do metal menos espesso); Aw representa a área efetiva de solda; fy é a menor resistência característica de escoamento entre os metais ligados; fw é a resistência mínima do metal de solda à tração; Ya1 é o coeficiente de ponderação de resistência ao escoamento, flambagem e instabilidade do metal-base; Yw1 e Yw2 são coeficientes de ponderação de ruptura da solda. - 8 -
Soldas por penetração total Para solicitações de tração ou compressão paralelas ao eixo da solda, a força resistente não precisa ser considerada. Para solicitações de tração ou compressão transversais ou normais ao eixo da solda para o metal-base: Para solicitações de cisalhamento na seção efetiva: Soldas por penetração parcial Para solicitações de tração ou compressão paralelas ao eixo da solda, a força resistente não precisa ser considerada. Para solicitações de tração ou compressão transversais ou normais ao eixo da solda, deve ser aplicado o menor entre os valores para metal-base e solda: Para solicitações de cisalhamento na seção efetiva, o metal-base deve atender a seu limite de escoamento, enquanto para a solda: - 9 -
Soldas em filete Para solicitações de tração ou compressão paralelas ao eixo da solda, a força resistente não precisa ser considerada. Para solicitações de cisalhamento na seção efetiva, que é igual à resultante vetorial das forças na junta, o metalbase deve atender a seu limite de escoamento, enquanto para a solda: Caso seja dimensionado um conjunto de filetes, situados em um mesmo plano com a resultante de ações contida no seu centro geométrico, onde θrepresenta o ângulo entre a resultante de ações e o eixo longitudinal do grupo de filetes, a força resistente de cálculo é dada por: Soldas de tampão em furo ou rasgo Para solicitações de cisalhamento na seção efetiva, paralelamente às superfícies em contato: Limitações Para cada tipo de ligação soldada, a norma determina uma série de limitações na utilização de soldas. Soldas por penetração total ou parcial Observe, na Figura 7, a espessura mínima de garganta efetiva para soldas por penetração, que deve ser estabelecida em função da sua peça mais espessa, e, desde que a força resistente de cálculo seja obtida, não é - 10 -
necessário ultrapassar a espessura da peça menos espessa. A norma também determina que não é permitida a utilização de soldas de penetração em emendas de peças fletidas. Figura 7 - Espessuras mínimas de gargantas para solda por penetração Fonte: ABNT (2008, p. 73). Soldas em filete A norma também especifica a dimensão mínima de perna de solda em filete, apresentada na figura a seguir, em função da parte menos espessa. Figura 8 - Espessuras mínimas de pernas para solda em filete Fonte: ABNT (2008, p. 74). A norma especifica a dimensão mínima de perna de solda em filete apresentada na figura, em função da parte menos espessa. - 11 -
Soldas de tampão em furo ou rasgo Para soldas em furo, a norma determina que o diâmetro mínimo do furo não pode ser menor do que a espessura da peça furada acrescida de 8 milímetros, nem superior a 2,25 vezes a espessura da solda, assim como a distância entre centros de furos deve ser igual ou superior a 4 vezes o diâmetro do furo. Para soldas em rasgo, o seu comprimento não deve ser maior do que 10 vezes a espessura da solda, bem como a largura dos rasgos não pode ser menor do que a espessura da peça furada acrescida de 8 milímetros, nem superior a 2,25 vezes à espessura da solda. A distância entre linhas de centros de rasgos deve ser igual ou superior a 4 vezes a sua espessura, enquanto a distância entre rasgos longitudinalmente deve ser igual ou superior a 2 vezes seu comprimento. A espessura das soldas, seja em furos ou rasgos, em peças de até 16 milímetros, deve ser igual à espessura da peça. Já para materiais com espessura superior, a solda deve ter no mínimo a metade da espessura da peça, e não inferior a 16 milímetros. Fechamento Agora, você conhece os preceitos normativos que orientam o dimensionamento e detalhamento de ligações soldadas. Nesta aula, você teve a oportunidade de: descrever a sistemática e aspectos relevantes para o dimensionamento de solda, mostrando e conceituando as fórmulas, incógnitas e suas relações. Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). estruturas mistas de aço e concreto de edifícios. Rio de Janeiro, 2008. ARGENTA, M. A. Estruturas metálicas. Curitiba: UFPR, 2010. (Material didático). PFEIL, W.; PFEIL, M. Científicos, 2014. NBR 8800: Projeto de estruturas de aço e de Estruturas de aço: Dimensionamento prático. 8. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e - 12 -