Como calcular a resistência ao cisalhamento dos parafusos?

A resistência ao cisalhamento de um parafuso refere-se à sua capacidade de suportar a força de cisalhamento máxima sem quebrar quando sujeito a uma força externa lateral. Podemos compreender o método de cálculo, as normas e alguns valores específicos da resistência ao cisalhamento dos parafusos.

Em primeiro lugar, a fórmula para calcular a resistência ao cisalhamento do parafuso é W=P/F=P/ab, onde P é a carga na rutura (N), F é a área de sobreposição (cm^2), a é o comprimento da sobreposição (cm) e b é a largura da sobreposição (cm). Isto implica que a resistência ao cisalhamento do parafuso está relacionada com o seu tamanho e forma. Medindo estes parâmetros e aplicando a fórmula acima, a resistência ao cisalhamento do parafuso pode ser calculada.

Em segundo lugar, a resistência ao cisalhamento de um parafuso também está relacionada com o seu grau de material. Por exemplo, um parafuso de grau 4.8 tem uma resistência ao cisalhamento de aproximadamente metade da sua resistência à tração, enquanto um parafuso de grau 12.9 tem uma resistência ao cisalhamento de 900 MPa. Isto indica que os parafusos de diferentes classes têm diferentes padrões de resistência ao cisalhamento.

Além disso, o valor de projeto da resistência ao cisalhamento dos parafusos é determinado por dados estatísticos de ensaios de ligação, o que implica que a resistência ao cisalhamento real dos parafusos em uso pode variar com base em condições específicas e resultados de ensaios.

Que métodos existem para calcular a resistência ao cisalhamento dos parafusos?

Os métodos de cálculo da resistência ao corte dos parafusos incluem principalmente a análise de elementos finitos e os ensaios experimentais.

Análise de elementos finitos é um método que prevê o comportamento de materiais ou estruturas sob força, estabelecendo um modelo matemático. Pode avaliar o desempenho de cisalhamento dos parafusos sem destruição real. Este método pode ser utilizado na conceção e otimização de tipos específicos de parafusos, como os parafusos cegos, simulando o comportamento de resistência dos parafusos sob força de corte pura para estudar o seu desempenho de suporte de carga.

Os ensaios experimentais avaliam carregando efetivamente e observando o modo de falha do parafuso, o que pode refletir diretamente a resistência ao corte real do parafuso.

Os cenários de aplicação destes dois métodos têm cada um a sua própria ênfase. A análise de elementos finitos é adequada para a fase inicial do projeto de parafusos, sendo necessário avaliar o impacto de diferentes esquemas de projeto no desempenho de cisalhamento dos parafusos, bem como prever e otimizar o desempenho dos parafusos durante o processo de projeto.

Os ensaios experimentais são mais frequentemente aplicados na fase posterior do desenvolvimento do produto, utilizados para verificar a exatidão e a fiabilidade do projeto, assegurando que o produto aparafusado pode cumprir os requisitos de desempenho em aplicações reais.

Ligação aparafusada sob força de corte de trabalho

Como mostra a Figura 1-8, esta ligação utiliza um parafuso para resistir à carga de trabalho F através de um orifício perfurado. Assumindo que cada parafuso recebe uma carga de trabalho igual, a força de corte recebida por cada parafuso é F.

Por conseguinte, a condição de resistência à compressão entre a haste do parafuso e a parede do furo é:

As condições para a resistência ao cisalhamento dos parafusos são:

Na fórmula:

F representa a força de cisalhamento operacional exercida no parafuso, em Newtons;

d₀ representa o diâmetro da face de cisalhamento do parafuso, que pode ser tomado como o diâmetro do furo do parafuso, em milímetros;

[τ] representa a resistência ao corte admissível da rosca, em MPa, para o aço

Onde:

[S]_τ é o fator de segurança de acordo com o Quadro 1-9;

L_min representa a altura mínima da haste do parafuso comprimida pela parede do furo, em milímetros.

Durante a conceção, L_min deve ser maior ou igual a 1,25d; i representa o número de faces de cisalhamento na haste do parafuso. Na Figura 1-1b, i=2, e na Figura 1-8, i=1.

A tensão de corte necessária para os parafusos é normalmente selecionada como 60Mpa.

Como ajustar a resistência ao corte dos parafusos de acordo com as condições de funcionamento

Em aplicações práticas, o ajuste da resistência ao cisalhamento dos parafusos para atender a requisitos específicos com base nas condições de uso pode ser realizado de várias maneiras:

Selecionar o tipo de parafuso adequado: Dependendo do cenário de utilização, escolha parafusos de alta resistência ou parafusos normais. Os parafusos de alta resistência são adequados para ligar estruturas importantes, como pontes e estruturas de aço, onde a fiabilidade e a segurança das ligações têm de ser asseguradas. Os parafusos comuns são mais utilizados em equipamento mecânico geral e mobiliário.

Calcular a tensão de corte do parafuso: Simplificando a partir da fórmula F = A × (F / A), a força de cisalhamento do parafuso é igual à força à qual o parafuso está sujeito. Esta etapa ajuda a entender a força de cisalhamento máxima que um parafuso pode suportar sob uma carga específica, fornecendo uma base para a seleção subsequente.

Considerar a deformabilidade do parafuso: Para resolver o problema da deformabilidade insuficiente dos conectores de cisalhamento dos parafusos, podem ser utilizados conectores de cisalhamento com elevada deformabilidade para melhorar o seu desempenho. Esta conceção pode melhorar a adaptabilidade e a fiabilidade do parafuso sem sacrificar muita resistência.

Ajustar o fator de segurança: Dependendo da resistência do parafuso e das condições de utilização previstas, o fator de segurança deve ser ajustado adequadamente. Por exemplo, a tensão de cisalhamento permitida Ít pode ser calculada dividindo a tensão de cisalhamento pelo fator de segurança. O ajuste do fator de segurança pode otimizar o desempenho do parafuso, garantindo a segurança.

Considerar os factores ambientais: Para os parafusos de alta resistência que estão expostos a longo prazo a ambientes agressivos, como os utilizados na energia eólica, deve ser dada especial atenção às suas condições de manutenção e estabilidade. Neste caso, podem ser necessários materiais ou revestimentos especiais para aumentar a resistência à corrosão e a durabilidade do parafuso.

Seguir os procedimentos técnicos: No que se refere aos procedimentos técnicos para ligações aparafusadas de alta resistência em estruturas de aço, medidas como o aumento da superfície de fricção do revestimento e do seu coeficiente de resistência ao deslizamento, o aumento das ligações de tração e das juntas de ligação da placa terminal podem melhorar eficazmente o desempenho e a fiabilidade das ligações aparafusadas.