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

Willy Ank de Morais ¹
Guilherme Geada Sampaio ²
Márcio de Morais Tavares³

1 Professor Mestre da Universidade de Ribeirão Preto – willyank@unisanta.br
2 Inspetor de Soldagem Nível 2 (ASME B31.1), Diretor Comercial, INSPEBRAS – guilherme@inspebras.com.br
3 Professor e Coordenador do curso Engenharia Civil Universidade de Ribeirão Preto – mtavares@unaerp.br

Resumo: Historicamente a execução de fundações profundas com perfis metálicos é prejudicada pela falta de sincronia entre as atividades de cravação dos perfis e execução de suas emendas. Tipicamente gasta-se até uma hora para fazer a união de perfis de aço estrutural ASTM A572 Gr.50, empregando-se talas e através do processo de soldagem por eletrodo revestido (Shielded Metal Arc Welding ou SMAW), em atendimento às normas aplicáveis: NBR 8800 e NBR 6122. Este tempo de união entre perfis é prejudicial à sincronia com a operação de cravação, que pode levar menos de um minuto, para um perfil metálico típico com 12 m de comprimento. No presente trabalho, executado ao longo de dois anos, foram observadas as características particulares do processo de união entre estacas metálicas sob a forma de perfis estruturais tipo “H”, estudando, avaliando e padronizando adequações nos procedimentos da soldagem para reduzir o tempo se execução da união, visando a redução do tempo de execução de uma emenda confiável. Ao final, pela adoção de dispositivos, equipamentos e processos de alta produtividade, encabeçados por soldadores qualificados e certificados, permitiu-se a obtenção de uma emenda de melhor qualidade e em apenas 10 minutos, portanto muito mais adequada ao processo de execução de fundações metálicas profundas. Os procedimentos foram aplicados em várias obras, nas quais este foi analisado, verificado e comprovado em uso prático por pesquisadores, engenheiros e técnicos.

Palavras-chave: SMAW, FCAW-s, Construção Metálica; Fundações Profundas.

1. INTRODUÇÃO

Para a execução de fundações sólidas, executadas em terrenos pouco resistentes e profundos, torna-se necessário a realização de um estaqueamento profundo. Um dos principais métodos de execução de fundações profundas (NBR 6122, 1996) é pelo uso de vigas metálicas, atualmente no aço ASTM A572 Gr.50 (ASTM, 2015), e que possuem um comprimento padrão de 12m. Como estas vigas são cravadas, formando estacas metálicas, em profundidades que ultrapassam o seu comprimento padrão, conforme ilustrado na Figura 1, torna-se necessário promover a sua união. O método mais tradicionalmente empregado é através da soldagem de topo destes perfis complementada pela soldagem de talas (NBR 6122, 1996), conforme exemplificado na Figura 2.

Como em qualquer atividade industrial, na operação de cravação de estacas objetiva-se a obtenção das seguintes condições durante sua execução: segurança, qualidade, rapidez, custo competitivo e eficiência. O atraso nas atividades de cravação das estacas impacta diretamente o cronograma de toda obra civil e a disponibilidade de espaços produtivos (greenfield ou brownfield) conforme os planejamentos existentes. Por outro lado, uma baixa qualidade das juntas soldadas pode acarretar em acidentes envolvendo queda de vigas de grande peso e que podem causar perdas econômicas e humanas no canteiro de obras. Esta condição, oriunda de terceiros, já foi objeto de testemunho dos presentes autores, conforme o caso ilustrado na Figura 3. formadas por quatro perfis estruturais de 12m.

Neste trabalho, foram determinadas as atividades e tarefas de maior peso no Caminho Crítico (CC) do processo de cravação de estacas. Considerando o caso mais comum, no qual vigas de aço estrutural ASTM A572 Gr.50 (ASTM, 2015) são unidas, com o emprego de talas, através da soldagem por eletrodo revestido (SMAW – Shielded Metal Arc Welding) (Modenesi et al., 2007), observou-se que esta atividade se tornava o gargalo da operação. Observando as características particulares do processo, verificou-se que a atuação nos procedimentos de execução da soldagem poderia reduzir seu tempo se execução, mantendo-se a confiabilidade e qualidade da emenda.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1. União de Vigas para formar Estacas Metálicas

A execução das uniões soldadas entre os perfis constituintes das estacas, pelo uso de talas soldadas a estes perfis (Fig. 2), é normatizado e deve ser dimensionado em conformidade com as condições de uso do material na obra. A norma NBR 6122 (1996) estabelece que as normas aplicáveis a esta operação são: NBR 8800 (2008) e AWS D1.1/D1.1M (2010). Em resumo, estas normas exigem que as soldas das emendas com talas devam atender aos seguintes requisitos:

1. seguir os preceitos do código AWS D1.1/D1.1M (2010);
2. apresentar qualidade adequada, conforme AWS D1.1/D1.1M (2010);
3. resistir aos esforços de uso normal das estacas, conforme NBR 8800 (2008);
4. resistir aos esforços do manuseio/cravação, conforme AWS D1.1/D1.1M (2010).

Para o atendimento destas condições, as juntas soldadas devem ser executadas, conforme exemplificado pelo projeto da junta, calculado por um engenheiro mecânico, e pelas condições mandatórias do código AWS D1.1/D1.1M (2010), que exige:

1. evidência de qualificação de procedimento de soldagem (item 4.2.1);
2. aplicação de teste de qualificação para os soldadores (item 4.2.2);
3. armazenamento adequado dos consumíveis de solda (item 5.3.1.4 e 5.3.1.5); sendo que, para o caso de eletrodos revestidos:
4. secagem inicial/uso de eletrodos de baixo hidrogênio (item 5.3.2.1) em estufa entre 260 e 430°C por no mínimo 2 horas (item 5.3.2.4(1));
5. ressecamento de eletrodos expostos à atmosfera por um período além de 4 horas (item 5.3.2.2 e Tabela 5.1);
6. limitação de apenas um ressecamento (item 5.3.2.1).
7. limitação na quantidade de intensidade de descontinuidades/defeitos de solda (Tabela 6.1);
8. trincas (item 1 da Tabela 6.1);
9. falta de fusão entre metal base e solda (item 2 da Tabela 6.1);
10. geometria (perfil) do depósito de solda (item 4 da Tabela 6.1);
11. dimensões do depósito de solda (item 6 da Tabela 6.1);
12. ‘mordeduras’ na solda depositada (item 7(a) da Tabela 6.1);
13. porosidades na solda (item 8(a) da Tabela 6.1).

Conforme foi explicitado neste item, várias condições devem ser obedecidas para obter uma junta soldada, entre as vigas de obras de estaqueamento profundo. Nem todas as condições descritas são de pronto atendimento e algumas necessitam de uma infraestrutura mínima para serem efetivamente atendidas. Também é importante salientar que o material empregado nestas vigas, o aço ASTM A572 Gr.50 (ASTM, 2015), é considerado de alta resistência mecânica conforme a norma NBR 6215 (2011).

2.2. Processo de União via Eletrodo Revestido (SMAW)

A soldagem a arco elétrico com eletrodo revestido (SMAW) é o processo de soldagem mais empregado no país. Isso ocorre pela sua grande versatilidade, baixo custo de operação, simplicidade dos equipamentos e pela possibilidade de uso em locais de difícil acesso ou sujeitos a ventos (Modenesi et al., 2007).

Porém o processo SMAW apresenta algumas desvantagens, tais como: baixa produtividade, necessidade de cuidados especiais no tratamento e manuseio dos consumíveis (eletrodos revestidos) e o grande volume de gases e fumos gerados durante a soldagem. Conforme informações de um dos grandes fabricantes de consumíveis atuante no país, os eletrodos revestidos E7018 (AWS A5.1/A5.1M, 2004), empregados para o aço ASTM A572 Gr.50 (ASTM, 2015), apresentam as seguintes características (Fortes e Vaz, 2005):

1. são a versão mais moderna do eletrodo de baixo hidrogênio;
2. a quantidade considerável de pó de ferro no revestimento e também uma quantidade de revestimento bem maior permitem que esses eletrodos sejam aplicados sob correntes de soldagem mais altas que as empregadas com outros eletrodos, como o E7016 (AWS A5.1/A5.1M, 2004);
3. o arco mais suave e a facilidade de soldagem do eletrodo E7018 (AWS A5.1/A5.1M, 2004) tornam-no o favorito dos soldadores;
4. correntes de soldagem relativamente mais altas e adições de pó de ferro fundindo no metal de solda para aumentar a taxa e eficiência de deposição;
5. o eletrodo básico E7018 (AWS A5.1/A5.1M, 2004) deposita o metal de solda de melhor qualidade para a soldagem de aços de baixo carbono;
6. sua maior desvantagem é que ele precisa ser mantido seco, eletrodos que absorveram umidade devido à exposição à atmosfera ou a outras fontes de umidade depositam metal de solda com porosidade;
7. os eletrodos E7018 (AWS A5.1/A5.1M, 2004) não devem ser aplicados na soldagem de passes de raiz em juntas de topo com abertura para evitar porosidade excessiva.

As informações do fabricante (Fortes e Vaz, 2005) reforçam as solicitações obrigatórias do código AWS D1.1/D1.1M (2010):

1. consumíveis de soldagem que tenham sido removidos do pacote original devem ser protegidos e armazenados de tal forma que as propriedades de soldagem não sejam afetadas;
2. eletrodos devem estar secos e em condições apropriadas de uso;
3. eletrodos que tenham revestimentos de baixo hidrogênio, por exemplo E7018 (AWS A5.1/A5.1M, 2004) devem ser adquiridos em contêineres hermeticamente vedados ou devem ser cozidos (secos) adequadamente pelo usuário;
4. imediatamente após a abertura do contêiner hermeticamente vedado, os eletrodos devem ser armazenados em fornos mantidos a uma temperatura de pelo menos 250°F [120°C] –isso normalmente é feito através de dispositivos semi-portáteis conhecidos como ‘cochichos’;
5. depois que contêineres dos eletrodos são abertos ou após eletrodos serem removidos de fornos de cozimento ou armazenamento, a exposição do eletrodo à atmosfera não deve exceder 4 horas;
6. eletrodos devem ser recozidos (ressecados) não mais que uma vez;
7. eletrodos que tenham sido molhados não devem ser usados.

2.3. Características do processo de soldagem por Arame Tubular (FCAW-s)

Sendo um processo de soldagem contínuo, os arames tubulares auto protegidos (self-shielded Flux-cored arc welding – FCAW-s) são capazes de atingir maiores taxas de deposição que os eletrodos revestidos, e são desenvolvidos para aplicações de soldagem em geral e aplicações específicas como reparos, soldagem fora de posição e soldagem de alta deposição. Assim sendo, o processo de soldagem com arame tubular combina a produtividade de um processo contínuo de soldagem e os benefícios (protetivos e químicos) de um fluxo de solda presente, por isso, este processo apresenta várias vantagens relativas aos outros processos de soldagem, dentre as quais (ASME SFA-5.20/SFA 5.20M, 2010 e ASM, 1993):

1. desenvolvidos e adequados para uso no campo para a soldagem de aços carbono em todas as posições e também para altas taxas de deposição;
2. apresentam taxas de deposição maiores que a soldagem manual com eletrodos revestidos;
3. não necessitam de equipamentos de solda especiais;
4. geram cordões com boa aparência da solda, com aspecto limpo e escória facilmente removível;
5. podem ser empregados na maioria dos aços estruturais com resistência mecânica da ordem de 510 MPa;
6. apresentam as maiores taxas de deposição, especialmente em posições de solda não usuais;
7. necessitam de menor necessidade de habilidade dos soldadores, menor do que nos processos de eletrodo revestido (SMAW) ou com gás protetivo (MIG/MAG);
8. uma quantidade reduzida de respingos é outra vantagem frequentemente oferecida pelos arames tubulares;
9. possuem maior tolerância à ferrugem e carepas de laminação (óxidos) do que os processos com gás protegido.

O processo também apresentas duas características que podem limitar a sua aplicação em determinadas operações de soldagem ‘indoor’:

1. necessidade de remoção de escória após a soldagem, que é similar ao caso do eletrodo revestido, porém com maior facilidade;
2. maior geração de fumos de soldagem do que no processo de eletrodo revestido (pela maior velocidade e deposição);
3. normalmente o processo de soldagem é empregado no campo, pois permite correntes de ar maiores.

A Figura 4 ilustra aplicações típicas para soldagem de estruturas de aço em ambientes abertos. Nestes casos, este processo apresenta o máximo ganho nas características anteriormente descritas. A soldagem por Arame Tubular auto protegido possui poucos requisitos em termos de equipamentos especiais. Dentre os equipamentos diferenciados a serem empregados, destaca-se a tocha FCAW-s, mostrada na Figura 5.

Devido ao grande intervalo de tempo de arco aberto, a tocha possui uma proteção metálica que serve para refletir o calor emanado pelo processo de soldagem. Desta forma, a mão (enluvada) do soldador possui uma proteção adicional e assim melhoria de seu conforto da longa exposição ao arco, justamente pela alta produtividade do processo, que pode levar a manter o arco elétrico aberto, depositando solda, durante vários minutos. Outro acessório empregado é o alimentador do arame. Como o processo não necessita de gás de proteção, o arame pode ser armazenado em uma maleta (suitcase) que é ligada apenas à máquina de solda. O alimentador não apenas armazena e protege o rolo de arame, mas também controla a velocidade de alimentação e também a regulagem do equipamento de soldagem remoto.

Embora existam processos de soldagem de maior produtividade disponíveis, tais como arco submerso.

CONTINUA…