Como Projetar Soldas em Aço

Prof. Luiz Gimenes
Professor da FATECSP
Departamento de Soldagem
Gerente do Site INFOSOLDA

Prof. Edson Urtado
Professor do Curso de Pós-Graduação Engenharia de Soldagem SENAISP – OSASCO

Este artigo é voltado para profissionais que utilizam a soldagem para construção de máquinas e equipamentos, prensas, máquinas agrícolas, equipamentos de movimentação de carga, máquinas para indústria de papel, usinagem, estruturas em aço, cilindros hidráulicos, equipamentos rotativos, bombas, compressores etc.

O desenvolvimento do projeto como qualquer atividade de engenharia deve ser feita sempre através da utilização de Norma ou Código de construção, ou seja, deve ser baseado em sólidos conceitos de engenharia onde o profissional poderá utilizar os cálculos estruturais de uma maneira confiável e permanente.

Um dos ganhos imediato ao adotar um código de construção é a redução de custos, deixando o projeto mais enxuto sem comprometer seu desempenho estrutural.

Vamos dar um exemplo prático de como são utilizadas as Normas ou códigos de construção AISC, AWS e NBR.

Você pode utilizar imediatamente no cotidiano da sua empresa, através de tabelas para consulta rápida e/ou equações simples, o leitor terá ferramentas práticas para resultados imediatos.

Para dominar os cálculos de solda pode-se começar por calcular uma solda em ângulo.

Na construção de equipamentos industriais, navios, edifícios, estruturas metálicas em geral, existe uma grande quantidade de solda em ângulo, ou também conhecidas como solda de filete.

Esse tipo de junta é muito utilizada devido ser mais econômicaa que as soldas de topo, as juntas soldadas em filete são simples de serem prepararas, do ponto de vista da montagem e ajuste.

A resistência de uma solda de filete é baseada, no projeto, e é dado pelo produto da área efetiva da garganta teórica conhecida pela dimensão da garganta de projeto E multiplicado pelo comprimento L. Ilustram como se deve dimensionar o comprimento de solda efetivo.

A resistência de solda em Ângulo (filete) é calculada pelo comprimento das pernas do maior triângulo retângulo que pode ser inscrito dentro da seção transversal da solda de filete, veja as Figura 1 e 2.

As pernas da solda de filete devem ser o suficiente para suportar a carga aplicada, mas esta medida não deve ser especificada com excesso para se minimizar a distorção e aumentar os custos de soldagem. A AWS D 1.1 o Código de Soldagem Estrutural – Aço especifica o tamanho mínimo de solda de filete para cada espessura de metal base: por ex. na tabela 1 o tamanho da perna de 6 mm é indicado para espessuras acima de 12,7 até 19,0 mm. A AWS D1.1 também especifica a convexidade máxima, porque a convexidade excessiva pode causar concentração de tensão na margem da solda, o que pode resultar em falha prematura da junta.

Para garantir que as soldas tenham as dimensões projetadas é muito importante que o controle de qualidade de soldas de filete, a perna ou garganta, a convexidade ou concavidade sejam inspecionadas usando vários tipos de calibres de solda. A Figura 3 mostra um exemplo desses instrumentos.

O códigos também permitem que você faça seus próprios Cálculos da resistência da solda, há duas configurações as juntas de penetração parcial PJP (partial joint penetration) e as juntas de penetração total CJP (complete joint penetration).

Para o cálculo de juntas de topo com penetração parcial o código AWS indica a a profundidade mínima do chanfro que deverá ser unido a tabela 2 indicam as dimensões.

Para o cálculo de juntas CJP sendo as ligações sujeitas a tensões de tração ou compressão normal à área efetiva: resistência da metal base (AISC, ABNT) temos a fórmula:

R_d = 0,9 x A x σ_y

Onde:

                        l R_d: resistência de cálculo.

                        l Aw : área da solda (A = L x tw)

                        l tw: espessura da chapa ou profundidade de penetração.

                        l L: comprimento da solda.

                        l σy: tensão de escoamento do metal base.

Para as ligações sujeitas a tensões de cisalhamento e tensões atuando em direções perpendiculares ao eixo de solda (AISC, ABNT) temos as fórmulas indicadas para o metal base e metal de adição:

b1) Metal base: Rd = 0,9 x Amb x 0,6 x σy

b2) Metal de solda: Rd = 0,75 x Aw x 0,6 x σw

Onde:

A: área da solda  Aw= L x tw.

σw: tensão de ruptura do metal de solda (eletrodo, arame).

Se você tiver juntas PJP ou Juntas Combinadas (PJP + Filete) e quando as ligações forem sujeitas a tensões de tração, compressão ou cisalhamento, atuando paralelas ou perpendiculares ao eixo de solda (AISC, ABNT):

c1) Metal base: Rd = 0,9 x AMB x 0,6 x σy

c2) Metal de solda: Rd = 0,75 x Aw x 0,6 x σw

Onde:

AMB: área da solda (AMB = L x w) (w: perna da solda).

AW: área da solda (AW = L x tw) (tw garganta da solda = w X 0,707).

Para uma aplicação prática, elegemos uma situação simples de um olhal de içamento com carga axial perpewndicular de 3 ton. de carga, a figura 4 mostra as dimensões do olhal.

Cálculo da seção resistente do metal base:

A_mb=93-60-26/2=20

=20∙12,7=254mm²

tω=94∙63,35∙0,707=422mm²

tω=2 soldas=422=844mm²

Propomos duas situações de utilização de metais base um aço não qualificado como aço estrutural SAE 1020 e outro aço qualificado com aço estrutural ASTM A 36, veja que para resistir a ação da carga necessita-se de no mínimo 30 KN e o aço não especificado não atende a solicitação, em seguida verifica-se a utilização de um eletrodo  revestido E 7018 e o qual supera em mais de 3x a resistência mínima exigida em um lado se fosse os dois lados com 2 soldas seriam  aproximadamente 180KN.

〖Rd〗_1020=0,9∙254∙0,6∙205=28KN

〖Rd〗_A36=0,9∙254∙0,6∙220=30KN

〖Rω〗_E7018=0,75∙422∙0,6∙485=92KN

Pensando em uma redução de custos optamos por escolher a perna mínima de solda conforme  AISC  tω=5,0mm(esp½”)  e colocamos soldas intermitente com 30 mm que é o comprimento mínimo exigido além de começar e terminar nas extremidades como boa prática de engenharia para não temos inicio prematura de trincas. Dessa forma ainda temos três vezes a exigência mínima de resistência. Conforme solução mostrado na figura abaixo:

Rd=0,75(30∙4∙5∙0,707)0,6∙485=92KN

Referencias

Manual do Soldador, Gimenes&Urtado 196 pgs Infosolda set/2019 Osasco/SP

Apostila de Engenharia e Projetos de Construções Soldadas Gimenes&Urtado 54 pgs Infosolda fev/2019 Osasco/SP

Manual Técnico Manutenção Industrial Tabelas e Informações pg 142 Jul/2011 Paulínia/SP

ABNT NBR 8800 Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios Associação Brasileira de Normas Técnicas Rio de janeiro/RJ 2008

AISC 360 -16 Specification for Structural Steel Buidings American Institute of steel construction – jul/2106 Chicago/USA

AWS D1.1-2015 Structural Welding Code Steel. American Welding Society. Miami/USA

AWS D14.3-2010 Specification for Welding Earthmoving, Construction, Agricultural, Equipment. American welding Society. Miami/USA