Misturando soldas e parafusos

Em diversas situações estruturais, um engenheiro pode precisar avaliar a resistência de uma conexão feita com soldas e fixadores mecânicos. Hoje, os fixadores mecânicos geralmente são parafusos, mas estruturas mais antigas podem incluir rebites.

Tais situações podem ocorrer durante projetos de retrofit, reparo ou reforço. Para novas construções, parafusos e soldas podem ser necessários para trabalhar juntos em conexões nas quais os materiais que estão sendo unidos são primeiro fixados com parafusos e depois soldados para obter a resistência total da conexão.

No entanto, determinar a capacidade de carga total da conexão não é tão simples quanto somar a soma dos componentes individuais — as soldas, parafusos e rebites. Tal suposição pode levar a consequências desastrosas.

As juntas aparafusadas são descritas na Especificação do Instituto Americano de Construção em Aço (AISC) para Juntas Estruturais Usando Parafusos ASTM A325 ou A490 como bem apertadas, pré-tensionadas ou antiderrapantes.

Uma junta bem apertada é apertada pela força de uma chave de impacto ou por um ferreiro usando uma chave de boca comum para colocar as lonas em contato firme. Em uma junta pré-tensionada, os parafusos são instalados de modo que fiquem sob carga de tração significativa, com as placas sob carga de compressão.

Sob a Seção 8.2, quatro métodos para fazer essas juntas são aceitáveis:

1. Torno-de-porca. O método de virar a porca envolve apertar o parafuso e, em seguida, girar a porca um pouco mais, o que é uma função do diâmetro e comprimento do parafuso.

2. Chave calibrada. O método da chave calibrada mede o torque, que está correlacionado com a tensão aplicada ao parafuso.

3. Parafusos de controle de tensão do tipo twist-off. Os parafusos de controle de tensão do tipo twist-off têm pequenos pinos na extremidade do parafuso, oposta à cabeça. Quando o torque necessário é alcançado, o pino se solta.

4. Indicadores de tensão direta. Indicadores de tensão direta são arruelas especiais com saliências. A quantidade de compressão nas saliências indica qual nível de tensão foi aplicado ao parafuso.

Em termos leigos, os parafusos agem como pinos em juntas bem apertadas e pré-tensionadas, semelhantes a uma braçadeira de latão que mantém unida uma pilha de papéis perfurados. As juntas de deslizamento crítico funcionam por fricção: as forças de pré-tensão criam forças de aperto e a fricção entre as superfícies de contato trabalha em conjunto para resistir ao deslizamento da junta. Isso é semelhante a um clipe de fichário que prende uma pilha de papéis, não porque os furos são feitos no papel, mas porque o clipe de fichário pressiona as folhas de papel juntas e o atrito mantém o pacote unido.

Os parafusos ASTM A325 têm uma resistência à tração mínima de 150 a 120 quilos por polegada quadrada (KSI), dependendo do diâmetro do parafuso, enquanto os parafusos A490 devem cair entre 150 e 170 KSI de resistência à tração. As juntas rebitadas se comportam mais como juntas apertadas, mas os pinos neste caso são os rebites, que normalmente têm cerca de metade da força dos parafusos A325.

Quando uma junta fixada mecanicamente é carregada em cisalhamento – quando um membro tende a deslizar sobre o outro por causa das forças aplicadas – uma de duas situações pode ocorrer. Os parafusos ou rebites podem encostar nas laterais dos orifícios, fazendo com que o parafuso ou rebite se corte ao mesmo tempo. A segunda possibilidade é que o atrito, introduzido pelas forças de aperto do prendedor pré-tensionado, pode resistir à carga de cisalhamento. Nenhum deslizamento é esperado nesta junta, mas existe a possibilidade.

Juntas bem apertadas podem ser aceitáveis ​​para muitas aplicações, porque pequenos deslizes podem não afetar negativamente o desempenho da conexão. Por exemplo, considere uma tremonha projetada para conter algum material granular. Na primeira vez que é carregado, pode ocorrer um pequeno deslize. Uma vez ocorrido o deslizamento, ele não se repetirá porque todos os carregamentos subsequentes seriam da mesma natureza.

Algumas aplicações envolvem reversão de carga, como quando membros rotativos experimentam carga alternada de tração e compressão. Flexionar membros que estão sujeitos a reversão completa de carga é outro exemplo. Quando ocorre uma inversão de carga significativa, juntas pré-tensionadas podem ser necessárias para eliminar o deslizamento cíclico. Tal deslizamento eventualmente leva a furos alongados e deslizamento ainda maior.