Cap2-Ligações Soldadas-1 PDF

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II. LIGAÇÕES SOLDADAS II.1. INTRODUÇÃO As ligações soldadas apresentam a grande vantagem de simplificar as ligações. Em contrapartida elas exigem mão-de-obra qualificada, condições de execução controladas e necessidade de inspeção. De acordo com o processo fabril pode-se ter a quase totalidade das ligações de fábrica como sendo soldadas, ficando as ligações parafusadas para ligações de campo. Deve-se evitar a utilização de soldas nas ligações de campo devido às dificuldades de acesso ao local da soldagem, necessidade de andaimes, posições desfavoráveis ou inadequadas para soldagem, necessidade de proteção do local da solda contra vento e chuva, e dificuldade do controle de qualidade da solda. Alguns fabricantes com processos produtivos automatizados dão preferências às ligações parafusadas, inclusive na fábrica. Mesmo nestes casos inúmeros elementos de ligações são soldados devido à complexidade que seria torná-los parafusados (por exemplo, placas de base de colunas, enrijecedores de alma de colunas, placas de topo de vigas, etc.). De acorda com a NBR-8800:1986 os processos de soldagem e as técnicas de execução de estruturas soldadas devem ser conforme a norma AWS D1.1 – Structural Welding Code da American Welding Society. II.2. PROCESSOS DE SOLDAGEM A soldagem de peças estruturais é feita por fusão. As superfícies a serem soldadas são fundidas e, nesse estado, com a adição de materiais provenientes de eletrodos, são ligadas por solda. O processo de solda normalmente utilizado em estruturas metálicas é a Solda por Arco Elétrico (Fig. III.1) onde, com a formação de um arco voltaico entre a peça e o eletrodo, o material base é aquecido a uma temperatura em torno de 4000 °C, de modo que as bordas se fundam. Ao mesmo tempo a ponta do eletrodo se funde, pingando sobre o material base, misturando-se com ele e preenchendo a junta de soldagem. Como o arco voltaico puxa o material fundido do eletrodo para o material base, podem ser executadas soldas na posição sobre cabeça.

Fig. III.1 – Solda por arco elétrico Um outro processo de soldagem utilizado em estruturas metálicas é a Solda por Resistência, utilizada em vigas mistas aço-concreto, na ligação dos conectores de cisalhamento, conhecidos

como stud bolts, com o perfil metálico (Fig. III.2). Neste processo aplica-se uma corrente de alta intensidade (cerca de 1500 A) ao stud bolt a qual funde a ponta do conector e a região de contato do perfil metálico, não havendo deposição de material adicional, como ocorre na solda de arco elétrico.

Fig. III.2 – Solda por resistência A processo de soldagem por arco elétrico (arc welding) pode ser executado por 4 métodos diferentes: a) Solda com Eletrodo Revestido (SMAW = Shielded Metal Arc Welding) – este método é um dos mais velhos, mais simples e mais versáteis processos de soldagem (Fig. III.3). Ele também é conhecido como Soldagem Manual com Eletrodo. Neste processo os eletrodos revestidos possuem uma camada espessa de revestimento que converte-se parcialmente num gás protetor e parcialmente em escória, os quais protegem o metal da solda de contaminação atmosférica e retardam o esfriamento da mesma. Os eletrodos usuais são designados como E60XX ou E70XX, onde o número representa a tensão de ruptura do eletrodo (60 ksi ou 70 ksi, respectivamente); os X’s referem-se a fatores tais como posições de soldagem permitidas, tipos de revestimento, etc. Os eletrodos são fornecidos em varetas.

Fig. III.3 – Solda com Eletrodo Revestido

b) Solda com Arco Submerso (SAW = Submerged Arc Welding) – neste método o fluxo (material granular fusível) é depositado automaticamente na junta através de um tubo. O arame de solda não é revestido, sendo fornecido em rolos e introduzido automaticamente dentro do fluxo (Fig. III.4). Durante a soldagem parte do fluxo se funde transformando-se numa escória protetora, e as bordas da junta se fundem, juntamente com o eletrodo que vai preenchendo a junta de solda. Este processo é normalmente executado em fábrica, utilizando equipamentos automáticos ou semi-automáticos. A combinação do arame de solda e do fluxo granular é designada como FXXX-EXXX, onde o primeiro X depois do F é o primeiro dígito da tensão de ruptura do metal da solda (por exemplo, 7 para 70 ksi), o segundo X é uma letra que indica o tratamento térmico necessário (por exemplo, “A” para como soldado e “P” para tratamento térmico pós-soldagem) e o terceiro X indica a temperatura para a qual a resistência ao impacto do metal da solda é maior ou igual a 20 ft-lb (27 J). Quando o terceiro X é 6, por exemplo, significa que a resistência da solda é de pelo menos 20 ft-lb para uma temperatura de –60ºF (-51ºC). Os 3 X’s que seguem a letra E indicam as propriedades do eletrodo.

Fig.III.4 – Solda com Arco Submerso c) Solda com Proteção Gasosa (GMAW = Gás Metal Arc Welding) – neste método o arame de solda é alimentado continuamente. Através de uma proteção gasosa o material fundido é isolado do contato com o ar (Fig. III.5). Em soldagem de estruturas metálicas utiliza-se normalmente o gás carbônico (CO2) devido ao baixo custo deste gás. Este gás é ativo para altas temperaturas originando o termo MAG (metal active gás). Originalmente este método era usado somente com gás inerte, vindo daí o nome MIG (metal inert gás) com que este tipo de solda é também conhecido. As vantagens deste método são a alta velocidade de soldagem, a execução de solda sem poros e a possibilidade de grande penetração. A desvantagem é que esta solda possui um acabamento pior, apresentando mordeduras e respingos excessivos. O material do eletrodo para soldagem de aços-carbono é um aço não-revestido, fornecido em rolos, designado como ER70S-X, para eletrodos com tensão de ruptura de 70 ksi.

Fig. III.5 – Solda com Proteção Gasosa (Fig.13 Açominas) d) Solda com Arame Tubular (FCAW = Flux Cored Arc Welding) – este processo é semelhante ao GMAW exceto pelo fato que o arame de solda é tubular e que contém fluxo no seu núcleo (Fig. III.6). O material do núcleo tem a mesma função que o revestimento do eletrodo na solda SMAW ou que o fluxo na solda SAW. O material do núcleo gera um gás protetor mas usualmente é injetado gás carbônico adicional no processo. O método FCAW tem-se revelado útil para soldas de campo em condições de temperaturas muito baixas bem como tem agilizado as soldas de campo. Os eletrodos utilizados para solda FCAW são designados como E6XT-X ou E7XT-X , para tensões de ruptura de 60 ksi ou 70 ksi, respectivamente.

Fig. III.6 – Soldas com Eletrodo Tubular

II.3 – COMPATIBILIDADE E RESISTÊNCIA DOS ELETRODOS O material do eletrodo utilizado na soldagem de uma junta deve ser compatível com o metal base, ou seja, deve ter propriedades equivalentes às do metal base. A Tabela III.1 a seguir reproduz parcialmente a tabela 7 da NBR 8800:1986 – “Compatibilidade do Metal Base com o Metal de Solda”, onde são apresentados para alguns aços estruturais os metais de solda compatíveis com os mesmos. Tabela III.1 – Compatibilidade do metal base com o metal da solda (1) Metal base Metal da solda compatível Aço SMAW SAW GMAW FCAW ASTM A36 F6XX-EXXX E6XT-X E60XX ---------------------------ou ER70S-X ou ou SAC 41 I F7XX-EXXX E7XT-X E70XX USI-SAC 250 COS-AR-COR 300 ASTM A36 MG ASTM A572 Grau 42 USI-CIVIL 300 COS-CIVIL 300 ---------------------------SAC 41 MG II E70XX F7XX-EXXX ER70S-X E7XT-X USI-SAC 300 COS-AR-COR 300E ---------------------------ASTM A572 Grau 50 USI-CIVIL 350 COS-CIVIL 350 (1) Em juntas constituídas de metais base de grupos diferentes, pode ser usado o metal da solda compatível com o metal base do grupo de menor resistência. Grupo

Os valores da resistência mínima à tração do metal da solda “fw” são dados na Tabela III.2. Tabela III.2 –Resistência mínima à tração do metal da solda, fw fw Eletrodo (Mpa) E60XX, F6XXX-EXXX, E6XT-X 415 E70XX, F7XXX-EXXX, ER70S-X, E6XT-X 485 II.4 – TIPOS DE JUNTAS De acordo com a posição relativa das peças a serem soldadas existem cinco tipos básicos de juntas soldadas: − Junta de Topo (Butt Joint) − Junta “T” (Tee Joint) − Junta de Canto (Corner Joint) − Junta Sobreposta (Lap Joint) − Junta de Borda (Edge Joint) Estas juntas estão representadas na Fig. III.7 e a cada uma delas é associada uma letra de identificação, de acordo com a norma AWS D1.1. Esta letra servirá posteriormente para designar cada um dos tipos de juntas pré-qualificadas da AWS.

Fig. III.7 – Tipos de Juntas Soldadas a) Junta de Topo – esta junta é utilizada principalmente para unir as extremidades de chapas planas de mesma ou aproximadamente a mesma espessura. A principal vantagem deste tipo de junta é eliminar a excentricidade que apareceria numa junta sobreposta, por exemplo. Quando utilizadas com solda de penetração total as juntas de topo minimizam o tamanho da ligação e possuem melhor aparência. Sua principal desvantagem consiste no fato de que as bordas a serem conectadas necessitam de uma preparação prévia especial (normalmente estas bordas devem ser chanfradas) e devem ser cuidadosamente alinhadas antes da soldagem. Este tipo de junta é recomendado para ser executado em fábrica onde o processo de soldagem pode ser melhor controlado. b) Junta “T” – este tipo de junta é utilizado para fabricar seções tais como perfis I ou H e perfis “T”, assim como para ligações de enrijecedores, consoles e demais peças que formam ângulos retos entre si.Este tipo de junta é especialmente útil na ligação de perfis compostos por tiras de chapas planas que podem ser unidas por soldas de filete ou soldas de entalhe. c) Junta de Canto – esta junta é utilizada principalmente para formar perfis caixão soldados quadrados ou retangulares, utilizados em colunas e em vigas que precisam resistir esforços torsionais consideráveis. d) Junta Sobreposta – este é o tipo mais comum de junta, possuindo duas grandes vantagens: facilidade de montagem, pois as peças podem ser levemente deslocadas para acomodar pequenos erros de fabricação, e facilidade de ligação, pois as peças a serem conectadas não

necessitam de nenhuma preparação especial em suas bordas. Em juntas sobrepostas utiliza-se solda de filete o que as torna apropriadas tanta para ligações de fábrica quanto para ligações de campo. Uma outra vantagem deste tipo de junta é a facilidade em executar ligações de espessuras diferentes. Na Fig. III.8 tem-se alguns exemplos de juntas sobrepostas. e) Junta de Borda – as juntas de borda não costumam ser estruturais, sendo utilizadas para manter 2 ou mais placas alinhadas ou num determinado plano.

Fig. III.8 – Juntas Sobrepostas II.5 – TIPOS DE SOLDAS Os quatro tipos usuais de soldas são (Fig. III.9): − Solda de filete − Solda de entalhe de penetração total − Solda de entalhe de penetração parcial − Solda de tampão (em furos e em rasgos) O tipo de solda mais utilizado é a solda de filete. Para cargas leves a solda de filete é a mais econômica por não precisar de preparação no metal base. Para cargas elevadas as soldas de entalhe se revelam mais eficientes, pois com elas consegue-se atingir a resistência do metal base

facilmente. A utilização de soldas de tampão é limitada à situações especiais onde não é prático utilizar soldas de filete ou de entalhe. De uma maneira aproximada os quatro tipos de solda representam a seguinte porcentagem nas ligações soldadas em estruturas metálicas: soldas de filete = 80%, soldas de entalhe = 15%, soldas de tampão e outras soldas especiais = 5%.

Fig. III.9 – Tipos de Soldas II.5.1 – SOLDA DE FILETE As soldas de filete são as mais utilizadas em ligações soldadas devido à sua economia, sua facilidade de execução e sua adaptabilidade. As soldas de filete têm geralmente a forma de um triângulo isósceles reto. Normalmente os dois lados do triângulo são iguais e o ângulo ente eles é de 90º, porém para ligações inclinadas podese ter um ângulo agudo entre 60º e 90º ou um ângulo obtuso entre 90º e 135º. Permite-se um afastamento de até 5 mm entre as peças a serem soldadas porém se este afastamento for maior do que 1,5 mm a dimensão da solda “w” deverá ser acrescida do valor do afastamento (obs.: estas limitações são da AWS e diferem um pouco das limitações da NBR 8800:1986). Para as soldas de filete utiliza-se a seguinte nomenclatura (Fig. III.10): − Face de fusão – região da superfície original do metal base onde ocorreu a fusão do metal base e do metal da solda. − Raiz da solda (root) – linha comum às duas faces de fusão. − Perna do filete (leg), “w” – menor dos lados, medidos nas faces de fusão, do maior triângulo inscrito dentro da seção transversal de solda. A especificação de uma solda de filete é feita através da dimensão de sua perna. − Garganta efetiva (effective throat), “tw” – é a menor distância entre a raiz da solda e a face externa do triângulo inscrito. Para o caso usual (solda com lados iguais e com ângulo reto) a garganta da solda vale 0,707.w, onde w é a dimensão da solda.

− Comprimento efetivo da solda (effective weld lenght), “lw” – é dado pelo comprimento da linha que liga os pontos médios das gargantas efetivas ao longo do filete. − Área efetiva da solda (throat área), “Aw” – é a área considerada como de resistência da solda, sendo igual ao produto tw.lw. − Área teórica da face de fusão, “AMB” – é a área resistente do metal base junto à solda, sendo igual ao produto w.lw.

Fig. III.10 – Nomenclatura de Solda de Filete Quando a solda de filete é executada pelo processo de arco submerso (SAW), tal como ocorre nas soldas de composição de perfis soldados, pode-se aumentar a garganta efetiva da solda para: 1) Para soldas de filete com perna igual ou inferior a 9,5 mm, a garganta efetiva pode ser adotada como igual a perna da solda. 2) Para soldas de filete com perna maior do que 9,5 mm, a garganta efetiva pode ser tomada como sendo a garganta teórica mais 2,8 mm (ou seja, tw = 0,707.w + 2,8 mm, para soldas simétricas).

Resistência de Soldas de Filete As soldas de filete são dimensionadas para resistir tensões de cisalhamento na sua área efetiva, independente da orientação dos filetes de solda em relação à direção da carga aplicada. Na Fig. III.11 os filetes de solda A são solicitados por cisalhamento longitudinal enquanto que o filete de solda B está submetido a cisalhamento transversal. Se a carga Ru aumenta até ultrapassar a resistência das soldas, a ruptura ocorrerá por cisalhamento nos planos de menor resistência., ou seja, na área efetiva da solda. Testes efetuados em ligações com soldas de filete, onde foram utilizados eletrodos compatíveis com o metal base, demonstraram que a solda rompe através de sua garganta efetiva antes da ruptura do metal base na sua área teórica da face de fusão. Apesar disso a NBR 8800:1986 limita a tensão de cisalhamento na área teórica da face de fusão de forma a não exceder a tensão escoamento por cisalhamento.

Fig. III.11 – Tensões em Soldas de Filete As resistências de cálculo φ.Rn dadas na Tabela III.3 se aplicam a soldas compatíveis com o metal base e sob tensões uniformes (juntas submetidas a cargas centradas). Soldas submetidas a tensões não uniformes (juntas submetidas a cargas excêntricas) serão tratadas posteriormente e terão a solicitação de cálculo e a resistência de cálculo determinadas com base em comprimento efetivo unitário. Na Tabela III.3 “fy” é a tensão de escoamento do metal base de menor “fy” na junta soldada e “fw” é a resistência mínima à tração do metal da solda (fornecida na Tabela III.2). Como para o aço a resistência ao cisalhamento é de aproximadamente 60% da resistência á tração aparece o coeficiente 0,60 nas expressões que determinam a resistência nominal “Rn” da solda e do metal base. Tabela III.3 – Resistências de cálculo φ.Rn de soldas de filete Tração ou compressão paralelas ao eixo da solda (1) Mesma do metal base O menor dos dois valores: Cisalhamento na seção efetiva (a solicitação de a) Metal base cálculo é igual à resultante vetorial de todas as forças de cálculo na junta que produzam tensões normais ou Rn= 0,60 AMBfy e φ = 0,90 b) Metal da solda de cisalhamento na superfície de contato das partes ligadas) Rn= 0,6 Awfw e φ = 0,75 (1) Soldas de filete ligando os elementos componentes de perfis soldados (mesas e almas), podem ser calculadas sem considerar as tensões de tração ou de compressão nesses elementos, paralelas ao eixo da solda; deverão ser considerados, entretanto, tensões de cisalhamento causadas pelas forças cortantes e os efeitos locais.

Pequenas excentricidades entre o centro de gravidade de cantoneiras e o centro de gravidade da junta soldada na extremidade das cantoneiras podem ser ignoradas, desde que a peça esteja submetida à cargas estáticas (Fig. III.12). Porém no caso de peças submetidas à cargas cíclicas a vida útil à fadiga de tais peças é muito curta e, neste caso, deve ser utilizada uma junta soldada com centro de gravidade coincidindo com o centro de gravidade da cantoneira (chama-se a este tipo de ligação de “solda balanceada”).

Fig. III.12 – Soldas nas extremidades de cantoneiras Dimensão Mínima de Soldas de Filete Quando se utiliza filetes de solda muito pequenos pode ocorrer um resfriamento rápido após a soldagem, que origina tensões internas na solda as quais, por sua vez, podem ocasionar a fissura da solda. Para evitar que isto ocorra limita-se a dimensão w do filete de solda a um valor mínimo em função da espessura da peça mais grossa que está sendo conectada (Tab. III.4). Tal dimensão mínima não necessita ultrapassar a espessura da parte menos espessa, desde que seja obtida a resistência de cálculo necessária. Para essa exceção e para que se obtenha uma solda de boa qualidade, devem ser tomados cuidados especiais usando-se preaquecimento. Tabela III.4 – Dimensão mínima de soldas de filete(1) Maior espessura do metal base na Dimensão nominal mínima da solda de filete (mm) junta (mm) 3 Abaixo de 6,35 e até 6,35 5 Acima de 6,35 até 12,5 6 Acima de 12,5 até 19 8 Acima de 19 (1) Para soldas executadas em um único passe Dimensão Máxima de Soldas de Filete As soldas de filete executadas ao longo de bordas das peças soldadas devem ter sua dimensão limitada a um máximo. A dimensão máxima de uma solda de filete que pode ser usada ao longo de bordas de partes soldadas é a seguinte: 1) Ao longo de bordas de material com espessura inferior a 6,35 mm, não mais do que a espessura do material; 2) Ao longo de bordas de material com espessura igual ou superior a 6,35 mm, não mais do que a espessura do material subtraída de 1,5 mm.

O objetivo desta limitação é evitar que seja fundida a borda de chapas com espessura de 6,35 mm ou mais, o que levaria a avaliações erradas da garganta efetiva da solda (Fig. III.13). Portanto, para chapas com espessura maior ou igual a 6,35 mm a borda da chapa deve ser facilmente identificada.

Fig. III.13 – Identificação da Borda da Chapa Comprimento das Soldas de Filete O comprimento efetivo mínimo de uma solda de filete, dimensionada para uma solicitação de cálculo qualquer, não pode ser inferior a 4 vezes sua dimensão nominal ou, então, essa dimensão nominal não pode ser considerada maior que 25% do comprimento efetivo da solda. Adicionalmente, o comprimento efetivo de uma solda de filete sujeita a qualquer solicitação de cálculo não pode ser inferior a 40 mm. Quando forem usadas somente soldas de filete longitudinais nas ligações extremas de barras chatas tracionadas, o comprimento de cada filete não pode ser menor que a distância transversal entre eles (Fig. III.14). O espaçamento transversal de soldas de filete longitudinais usadas em ligações de extremidade não pode ultrapassar 200 mm, a menos que no projeto sejam tomadas medidas para evitar flexão transversal excessiva na ligação.

Fig. III.14 – Soldas de Filete Longitudinais

Soldas Intermitentes de Filete Podem ser usadas soldas intermitentes de filete, dimensionadas para transmitir solicitações de cálculo, quando a resistência de cálculo exigida for inferior a de uma solda contínua da menor dimensão nominal permitida, e também para ligar elementos de barras compostas. O comprimento efetivo de qualquer segmento de solda intermitente de filete não pode ser menor que 4 vezes a dimensão nominal, nem menor que 40 mm. 0 uso de soldas intermitentes requer c...