Já alguma vez se perguntou porque é que algumas estruturas de aço resistem ao teste do tempo enquanto outras vacilam? Este artigo explora o mundo das ligações aparafusadas e soldadas em estruturas de aço, destacando as suas vantagens e desvantagens únicas. No final, compreenderá como estas ligações afectam a durabilidade e a relação custo-eficácia das construções em aço.
As ligações aparafusadas e soldadas representam os dois métodos predominantes de montagem em estruturas de aço e sistemas mecânicos modernos. Este documento oferece uma comparação abrangente destas técnicas de ligação, analisando as suas respectivas vantagens, limitações e aplicações óptimas no contexto do fabrico e construção em aço.
A integridade e o desempenho das estruturas de aço dependem fundamentalmente da eficácia da união de componentes discretos, tais como chapas e perfis, num todo coeso. A seleção e execução de métodos de ligação nestas junções críticas têm um impacto significativo não só na qualidade estrutural, mas também na relação custo-eficácia global e na capacidade de construção do projeto. Consequentemente, o projeto de ligações desempenha um papel fundamental na determinação do sucesso das estruturas de aço em vários sectores.
Historicamente, as estruturas de aço utilizavam uma gama diversificada de técnicas de união, incluindo contrapinos, parafusos, rebites e soldaduras. No entanto, a evolução da ciência dos materiais, das práticas de engenharia e das metodologias de construção levou à obsolescência de certos métodos. Nomeadamente, as ligações com contrapinos e rebites foram gradualmente eliminadas na construção contemporânea em aço devido às suas limitações em termos de resistência, eficiência e adaptabilidade. Como tal, esta análise centrar-se-á exclusivamente nos dois tipos de ligação dominantes no fabrico moderno de aço: uniões aparafusadas e soldadas.
Ao examinar estes métodos de ligação em pormenor, este documento tem como objetivo fornecer aos engenheiros, fabricantes e gestores de projectos conhecimentos valiosos para informar os processos de tomada de decisão na conceção e montagem de estruturas de aço. A comparação englobará factores como o desempenho estrutural, a facilidade de instalação, o controlo de qualidade, as considerações de custo e a adequação a diferentes condições ambientais e de carga.
As ligações soldadas são formadas através da fusão de uma vareta de soldadura e dos componentes a unir, utilizando o calor gerado por um arco elétrico. À medida que o material fundido arrefece e solidifica, forma um cordão de soldadura que integra as partes separadas numa estrutura unificada.
Na construção moderna em aço, as ligações soldadas são o método de união predominante. A soldadura por arco manual e a soldadura por arco submerso automatizada (ou semi-automatizada) são as técnicas mais utilizadas na indústria.
Vantagens
As estruturas soldadas oferecem várias vantagens em relação às ligações aparafusadas:
(1) Eliminação do enfraquecimento da secção transversal: As juntas soldadas não requerem perfuração, preservando a integridade estrutural dos componentes. A ausência de elementos de ligação adicionais simplifica a construção, resultando em poupanças de mão de obra e de material. Esta relação custo-eficácia é uma das vantagens mais significativas das ligações soldadas.
(2) Propriedades estruturais melhoradas: As estruturas soldadas proporcionam uma vedação superior, elevada rigidez e excelente integridade global. As geometrias complexas, como as ligações em Y e em T entre tubos de aço, são mais facilmente alcançadas através da soldadura do que com ligações aparafusadas ou métodos de união alternativos.
Desvantagens
Apesar das suas vantagens, as juntas soldadas apresentam alguns desafios:
(1) Efeitos térmicos: As altas temperaturas envolvidas no processo de soldadura podem alterar as propriedades do material na zona afetada pelo calor (ZTA).
(2) Preocupações com a qualidade da soldadura: Os cordões de soldadura podem conter vários defeitos e o metal de base adjacente à soldadura pode sofrer fragilização localizada. Estes problemas podem levar a concentrações de tensão e à potencial propagação de fissuras dentro da estrutura.
(3) Implicações da rigidez estrutural: A elevada rigidez das estruturas soldadas pode facilitar a propagação de fissuras ao longo de todo o conjunto. Esta caraterística, combinada com a potencial fragilidade a baixa temperatura, requer uma consideração cuidadosa no projeto e na seleção do material.
(4) Tensões residuais: O arrefecimento e a contração irregulares durante o processo de soldadura podem induzir tensões residuais na estrutura. Estas tensões internas podem causar uma cedência localizada prematura sob carga e reduzir a tensão crítica de encurvadura em elementos de compressão.
(5) Distorção geométrica: A expansão e contração térmicas diferenciais durante a soldadura podem resultar em deformações residuais, tais como deformações em chapas de aço planas.
Para mitigar estes desafios, é crucial implementar medidas preventivas durante as fases de projeto, fabrico e instalação. A adesão à norma nacional "Especificação de Aceitação de Qualidade para Engenharia de Estruturas Metálicas" é essencial para a inspeção e aceitação de cordões de soldadura.
Garantir ligações soldadas de alta qualidade requer uma abordagem abrangente, incluindo:
Ao abordar estes factores, o risco de falhas de soldadura frágil pode ser significativamente reduzido, conduzindo a estruturas de aço soldadas mais seguras e fiáveis.
As ligações aparafusadas unem os componentes através da utilização de parafusos, um tipo de fixador. Existem dois tipos de ligações aparafusadas: ligações aparafusadas normais e ligações aparafusadas de alta resistência.
Os parafusos utilizados em ligações estruturais de aço são classificados em duas categorias principais: parafusos padrão e parafusos de alta resistência. Os parafusos padrão normalmente apresentam cabeças hexagonais e são classificados como A, B e C, cada um com características e aplicações distintas.
Os parafusos de grau C são normalmente fabricados em aço Q235, utilizando aço redondo laminado a quente. Estes parafusos grossos têm requisitos relativamente brandos para o fabrico de furos de parafusos, o que os torna amplamente adoptados em ligações de parafusos padrão onde a precisão é menos crítica.
Em contraste, os parafusos padrão de Grau A e B são projetados com precisão, exigindo tolerâncias de fabricação mais rígidas tanto para o parafuso quanto para o furo correspondente. Apesar de sua maior qualidade, os parafusos padrão são geralmente instalados usando chaves manuais sem requisitos específicos de pré-tensão.
Os parafusos de alta resistência em estruturas de aço têm um significado especializado. A sua instalação envolve chaves concebidas para o efeito que asseguram uma pré-tensão prescrita no parafuso, resultando numa pré-pressão especificada na superfície de contacto das placas ligadas. Esta pré-tensão é crucial para a integridade estrutural e a capacidade de suporte de carga da ligação.
Para atingir os valores de pré-tensão necessários, os parafusos de alta resistência são fabricados a partir de aços de alta resistência. É importante notar que, embora os parafusos padrão de Grau A e B também possam ser feitos de aço de alta resistência, eles ainda são classificados como parafusos padrão devido ao seu método de instalação e à falta de requisitos de pré-tensão.
Os parafusos de alta resistência são categorizados em graus de desempenho, sendo 8.8 e 10.9 os mais comuns em aplicações estruturais. Estes parafusos são normalmente fabricados a partir de aço de médio carbono ou aço-liga, sujeitos a processos de tratamento térmico (têmpera e revenido) para melhorar as suas propriedades mecânicas.
Os parafusos de alta resistência da classe 8.8 apresentam uma resistência mínima à tração (fub) de 800 N/mm², com um rácio de elasticidade de 0,8. Os parafusos de grau superior 10.9 oferecem uma resistência ainda maior, com uma resistência mínima à tração de 1000 N/mm² e um rácio de tensão de cedência de 0,9. Estas propriedades mecânicas superiores tornam os parafusos de alta resistência ideais para ligações estruturais críticas, onde é essencial uma elevada capacidade de suporte de carga e resistência à fadiga.
Ao selecionar os tipos de parafusos para estruturas de aço, os engenheiros devem ter em conta factores como os requisitos de carga, o tipo de ligação, o método de instalação e as condições ambientais para garantir o melhor desempenho e a segurança do conjunto estrutural.
As ligações aparafusadas são preferidas nas estruturas de aço pela sua eficiência, simplicidade e menor exigência de competências em comparação com a soldadura. Em termos de frequência de utilização, só ficam atrás das ligações soldadas. As ligações aparafusadas são classificadas em ligações aparafusadas normais e de alta resistência, cada uma delas classificada com base nas condições de tensão: resistentes ao cisalhamento, resistentes à tensão e ligações combinadas resistentes ao cisalhamento e à tensão.
As ligações aparafusadas padrão utilizam normalmente parafusos de rosca grossa (Grau C). A sua resistência ao cisalhamento é determinada pela resistência ao cisalhamento do eixo do parafuso e pela resistência à compressão da parede do furo, enquanto a resistência à tração depende da capacidade de tração axial do parafuso. Estas ligações são utilizadas principalmente em componentes secundários não diretamente sujeitos a cargas dinâmicas, tais como apoios, faixas de fricção, vigas de parede, pequenas treliças e estruturas amovíveis. Para ligações no local onde os parafusos estão sob tensão, os parafusos de rosca grossa são normalmente utilizados devido à sua resistência superior à tração.
Os parafusos de rosca fina (Grau A e B) são utilizados em ligações convencionais que requerem uma elevada resistência ao corte. No entanto, devido ao seu fabrico complexo, aos requisitos de instalação rigorosos (folga mínima entre o parafuso e o furo) e ao custo mais elevado, são frequentemente substituídos por ligações de fricção com parafusos de alta resistência.
As ligações do tipo rolamento com parafusos de alta resistência partilham os requisitos de material, pré-carga e instalação com as ligações do tipo fricção. A principal distinção reside no seu mecanismo de capacidade de suporte final. Depois de ultrapassar o atrito, as placas ligadas deslizam uma em relação à outra, levando à falha do parafuso através de cisalhamento e compressão da parede do furo. Isto resulta numa maior capacidade de suporte em comparação com as ligações de fricção, permitindo poupanças de material. No entanto, a deformação de deslizamento pós-fricção limita a sua aplicação a estruturas que suportam cargas estáticas ou indiretamente sujeitas a cargas dinâmicas. Os requisitos de preparação da superfície são menos rigorosos do que os das ligações por fricção, sendo apenas necessária a remoção de óleo e de ferrugem solta.
Embora as ligações do tipo rolamento tenham um desempenho semelhante ao dos parafusos normais, a pré-carga no eixo do parafuso e a utilização de aço de alta resistência melhoram o seu desempenho para além do das ligações aparafusadas normais. Isto torna-as uma opção valiosa em aplicações estruturais específicas, onde é necessária uma maior capacidade de carga sem a complexidade das ligações de fricção.
Vantagens das ligações aparafusadas:
Desvantagens das ligações aparafusadas:
Suscetibilidade à corrosão: A interface entre componentes aparafusados pode reter humidade e detritos, acelerando potencialmente a corrosão se não for devidamente selada ou protegida.
Maior complexidade de fabrico: Requerem perfurações precisas nas placas, que devem ser alinhadas com exatidão durante a montagem. Isto aumenta o tempo de fabrico, o custo e a possibilidade de erros.
Requisitos de precisão mais elevados: As tolerâncias apertadas são essenciais para um ajuste e distribuição de carga adequados, exigindo medidas de controlo de qualidade mais rigorosas durante o fabrico e a montagem.
Redução da área da secção transversal: Os furos dos parafusos enfraquecem a secção transversal efectiva dos componentes, comprometendo potencialmente a sua capacidade de carga e exigindo uma compensação através do aumento da espessura do material ou de reforço adicional.
Complexidade estrutural: As peças ligadas requerem frequentemente elementos de ligação sobrepostos ou adicionais (por exemplo, chapas de reforço, cantoneiras de aço), aumentando a complexidade global da estrutura e o consumo de material.
Considerações sobre manutenção: As ligações aparafusadas podem exigir uma inspeção periódica e um reaperto devido ao potencial afrouxamento sob cargas dinâmicas ou ciclos térmicos, necessitando de protocolos de manutenção contínuos.
Concentração de tensões: Os orifícios dos parafusos podem criar pontos de concentração de tensões, potencialmente levando a problemas de fadiga em estruturas sujeitas a cargas cíclicas.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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