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 Grupo Aço SMAW SAW GMAW FCAW

I

ASTM A36 ----------------------------

SAC 41 USI-SAC 250

COS-AR-COR 300

E60XX ou

E70XX

F6XX-EXXX ou

F7XX-EXXX ER70S-X

E6XT-X ou

E7XT-X

II

ASTM A36 MG ASTM A572 Grau 42

USI-CIVIL 300 COS-CIVIL 300

---------------------------- SAC 41 MG

USI-SAC 300 COS-AR-COR 300E

---------------------------- ASTM A572 Grau 50

USI-CIVIL 350 COS-CIVIL 350

E70XX F7XX-EXXX ER70S-X E7XT-X

(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.

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

Eletrodo fw

(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 pode-se 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

Cisalhamento na seção efetiva (a solicitação de cálculo é igual à resultante vetorial de todas as forças de cálculo na junta que produzam tensões normais ou de cisalhamento na superfície de contato das partes ligadas)

O menor dos dois valores: a) Metal base Rn= 0,60 AMBfy e φ = 0,90 b) Metal da solda 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 junta (mm)

Dimensão nominal mínima da solda de filete (mm)

Abaixo de 6,35 e até 6,35 Acima de 6,35 até 12,5 Acima de 12,5 até 19 Acima de 19

3 5 6 8

(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 cuidados especiais com flambagens locais e com corrosão. Ligações Sobrepostas O cobrimento mínimo em ligações sobrepostas deve ser igual a 5 vezes a espessura da peça menos espessa e não inferior a 25 mm. Desta forma evita-se uma rotação excessiva da junta quando as peças são tracionada (Fig. III.15).

Fig. III.15 – Cobrimento em Juntas Sobrepostas As juntas sobrepostas tracionadas têm a tendência de abrir e de aplicar um esforço de rasgamento na raiz da solda, a menos que sejam restritas por uma força F como indicado na Fig. III.16. Devido a isto chapas ou barras ligadas por sobreposição e sujeitas à solicitação axial devem ter soldas de filete ao longo das extremidades de ambas as partes, exceto quando a deformação das partes sobrepostas for suficientemente contida de modo a evitar abertura da ligação por efeito das solicitações de cálculo.

Fig. III.16 – Efeito da Contenção em Juntas Sobrepostas Retornos de Soldas de Filete Os retornos de solda são utilizados para reforçar as soldas de filete onde elas são mais solicitadas e assim evitar fissuras e rasgamento progressivo ao longo do comprimento da solda. Os retornos de soldas devem contornar continuamente os cantos numa extensão não inferior a duas vezes a dimensão nominal da solda. Eles devem ser utilizados em soldas laterais de consolos e de assentos de apoio de vigas submetidos a cargas cíclicas (Fig. III.17).

Fig. III.17 – Retornos de soldas em consolos e assentos de vigas

Os retornos de soldas de filete também são recomendados em chapas e cantoneiras de extremidade onde se deseja garantir a flexibilidade da ligação (Fig. III.18). Neste caso a extensão do retorno não deve exceder a quatro vezes a dimensão nominal da solda.

Fig. III.18 – Retornos de soldas em ligações flexíveis

Filetes de soldas situados em lados opostos de um plano comum devem ser interrompidos no ponto onde as soldas se encontram. Isto porque uma tentativa em dar continuidade nesta solda fundiria o metal base criando uma mordedura no mesmo. A Fig. III.19 exemplifica este caso.

Fig. III.19 – Situações onde deve ser evitado o retorno do filete

Soldas de Filete em Ligações Inclinadas De acordo com a NBR 8800:1986 a utilização de soldas de filete com faces de fusão não ortogonais é permitida desde que o ângulo entre as faces de fusão esteja compreendido entre 60º e 120º, não exista afastamento entre as partes soldadas e que o contato entre as partes soldadas seja feito através de um plano (e não através de uma aresta). Observações Adicionais A maior dimensão de solda de filete executada em um único passe é 8 mm. Deve-se, sempre que possível, dimensionar as soldas para serem executadas em um passe. Para aumentar a resistência de uma solda de filete é mais eficiente aumentar o seu comprimento do que aumentar sua dimensão nominal. Isto porque ao aumentarmos a dimensão nominal da solda a sua resistência aumenta proporcionalmente, porém o seu volume aumenta de forma quadrática. As soldas de filete com lados desiguais são desaconselháveis porque, para uma mesma garganta efetiva, precisa-se de um volume maior de solda (Fig. III.20).

Fig. III.20 – Comparação garganta efetiva x volume para soldas de filete

II.5.2 – SOLDAS DE ENTALHE DE PENETRAÇÃO TOTAL As soldas de entalhe são utilizadas geralmente para conectar duas placas que estão alinhadas no mesmo plano (junta de topo). Neste caso a solda é executada num entalhe entre as bordas das duas placas. As soldas de entalhe podem ser utilizadas também em juntas “T” e em juntas de canto. As soldas de entalhe podem ser de penetração total, quando executadas em toda a espessura do metal base, ou de penetração parcial, quando executada em parte da espessura do material. As soldas de entalhe devem se estender por toda a largura das partes conectadas. Não são permitidas soldas de entalhe intermitentes. Para as soldas de entalhe adota-se a seguinte nomenclatura (Fig. III.21): − Garganta efetiva, “tw” – para uma solda de entalhe de penetração total a garganta efetiva é a

menor das espessuras das chapas conectadas (para juntas de topo) ou a espessura da chapa que recebe a solda em sua borda (para juntas “T”).

− Comprimento efetivo, “lw” – é o comprimento real da solda que, no caso da solda de entalhe, deve coincidir com a largura da peça ligada.

− Área efetiva, “Aw” – é o produto da garganta efetiva pelo comprimento efetivo. − Ângulo do entalhe, “α” – ângulo formado entre as duas faces de fusão. − Profundidade do chanfro “S” – altura de preparação do entalhe. − Abertura da raiz, “R” – afastamento entre as partes conectadas. − Nariz do chanfro, “f” – parte da espessura que não foi chanfrada.

Fig. III.21 – Solda de Entalhe

Os tipos padrão de soldas de entalhe são nomeados de acordo com a forma do chanfro da borda a ser soldada: reta, entalhe em “V” (simples ou duplo), entalhe em Bisel (simples ou duplo), entalhe em “U” (simples ou duplo) e entalhe em “J” (simples ou duplo). Na Fig. III.22 estão representados os tipos de soldas de entalhe assim como um número que as identifica, de acordo com a norma AWS D1.1. Este número será utilizado para designar cada um dos tipos de soldas de entalhe nas juntas pré-qualificadas da AWS.

Fig. III.22 – Tipos de Entalhes

A soldagem para soldas de entalhe de penetração total é feita por ambos os lados da junta ou apenas por um lado. Quando a soldagem é feita pelos dois lados, a raiz do primeiro passe de solda deve ser limpa até eliminar todas impurezas: este processo de limpeza da raiz do primeiro

passe de solda é chamado de extração de raiz. Após a extração de raiz pode ser executada a solda do lado oposto ao lado onde foi executado o primeiro passe. Na execução dos demais passes de solda deve-se sempre limpar cuidadosamente a escória na superfície do passe anterior. Quando a solda é executada somente de um lado coloca-se uma chapa de espera do lado oposto (backing bar). Neste caso não há extração de raiz. Resistência de Soldas de Entalhe A resistência de cálculo “φRn” das soldas de entalhe de penetração total está indicada na Tabela III.5. Nesta tabela, “Aw” é a área efetiva da solda; “fy” é a tensão de escoamento do metal base de menor “fy” na junta e “fw” a resistência mínima à tração do metal da solda, obtida da Tabela III.2. Nota: Em nenhuma situação a resistência da solda poderá ser tomada maior do que a resistência do metal base na ligação.

TABELA III.5 – Resistências de cálculo φRn de soldas de entalhe

Tipo de solda Tipo de solicitação e orientação Resistências de cálculo

φRn Tração ou compressão paralelas ao eixo da solda Mesma do metal base

Tração normal à seção efetiva da solda Compressão normal à seção efetiva da solda

Rn= Awfy e φ = 0,90 Soldas de entalhe de

penetração total Cisalhamento (soma vetorial) na seção efetiva

O menor dos dois valores: a) Metal base Rn= 0,60 Awfy e φ = 0,90 b) Metal da solda Rn= 0,60 Awfw e φ = 0,75

As soldas de entalhe de penetração total com chanfro duplo gastam metade de solda do que as soldas com chanfro simples com mesmo ângulo e o dobro da altura. Entretanto as soldas de chanfro duplo exigem mais trabalho para preparação da borda (dois chanfros). Por isso para pequenas espessuras (até 12,5 mm) recomenda-se utilizar solda de chanfro simples, ficando a utilização das soldas com chanfro duplo para espessuras de 16 mm ou mais. II.5.3 – SOLDAS DE ENTALHE DE PENETRAÇÃO PARCIAL As soldas de entalhe de penetração parcial são utilizadas quando os esforços a serem transmitidos são pequenos. As bordas não necessitam ser chanfradas em toda a espessura e a altura da solda também é menor que a espessura da junta (Fig. III.23).

Fig. III.23 – Solda de entalhe de penetração parcial

Mesmo que o(s) chanfro(s) ocupe(m) a espessura total da chapa, as soldas de entalhe executadas de um lado sem chapa de espera, ou executadas dos dois lados sem extração de raiz, são consideradas de penetração parcial. Estas soldas são utilizadas como juntas de topo em emendas de colunas submetidas somente à cargas axiais, como juntas “T” em soldas de composição de perfis I, e como juntas de canto em soldas de composição de perfis caixão e perfis U soldados. As designações e nomenclatura das soldas de penetração total valem para as soldas de penetração parcial, a menos da definição de garganta efetiva, a qual é definida na Tabela III.6.

TABELA III.6 – Espessura da garganta efetiva em soldas de entalhe de penetração parcial Processo de soldagem Posição de

soldagem Tipo de chanfro Espessura da garganta

efetiva Chanfro em J ou U Chanfro em bisel ou chanfro em V, ângulo do entalhe ≥ 60º

Profundidade do chanfro

Arco elétrico com eletrodo revestido

Arco submerso

Arco elétrico com Proteção gasosa

Arco elétrico com fluxo no núcleo

Todas

Chanfro em bisel ou chanfro em V, ângulo do chanfro entre 45º e 60º

Profundidade do chanfro menos 3 mm

Existe um caso particular de solda de penetração parcial onde a superfície convexa de uma ou das duas partes que estão sendo ligadas cria a preparação da junta. Esta situação ocorre freqüentemente quando um (ou ambos) componente(s) da junta consiste de uma barra redonda, possui canto arredondado ou tem borda arredondada (Fig. III.24). Neste caso a garganta efetiva da solda de entalhe de penetração parcial é dada pela Tabela III.7.

Fig. III.24 - Solda de entalhe de penetração parcial em borda(s) curva(s)

Quando uma solda de entalhe de penetração parcial é reforçada com filete a AWS permite considerar este acréscimo de solda aumentando a garganta efetiva da solda de entalhe (Fig. III.25). A NBR 8800:1986 não permite este tipo de consideração.

Tabela III.7 - Espessura da garganta efetiva da solda em juntas de superfície curva

Tipo de solda Raio (R) da barra ou de dobramento

Espessura da garganta efetiva

Abertura da junta composta de uma superfície plana e uma curva

Qualquer R 5R/16

Abertura da junta composta de duas superfícies curvas Qualquer R R/2 (1)

(1) Usar 3R/8 para o processo de arco elétrico com proteção gasosa, quando R ≥ 25 mm.

Fig. III.25 – Solda de entalhe de penetração parcial com reforço de filete

As espessuras mínimas de gargantas efetivas de soldas de entalhe de penetração parcial estão indicadas na Tabela III.8. A dimensão da solda deve ser estabelecida em função da parte mais espessa soldada, exceto que tal dimensão 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. Não podem ser usadas soldas de penetração parcial em emendas de peças fletidas.

Tabela III.8 – Espessura mínima da garganta efetiva de uma solda de entalhe de penetração parcial

Maior espessura do metal base na junta (mm)

Espessura mínima da garganta efetiva (mm)

Abaixo de 6,35 e até 6,35 Acima de 6,35 até 12,5 Acima de 12,5 até 19 Acima de 19 até 37,5 Acima de 37,5 até 57 Acima de 57 até 152 Acima de 152

3 5 6 8

10 13 16

Resistência de Soldas de Entalhe de Penetração Parcial A resistência de cálculo “φRn” das soldas de entalhe de penetração parcial está indicada na Tabela III.9. Nesta tabela “Aw” é a área efetiva da solda, “fy” é a tensão de escoamento do metal base de menor “fy” na junta e “fw” a resistência mínima à tração do metal da solda, obtida da Tabela III.2 Nota: Em nenhuma situação a resistência da solda poderá ser tomada maior do que a resistência do metal base na ligação. Tabela III.9 – Resistências de cálculo φRn de soldas de entalhe de penetração parcial

Tipo de solda Tipo de solicitação e orientação Resistências de cálculo

φRn Tração ou compressão paralelas ao eixo da solda (1) Mesma do metal base

Tração ou compressão normais à seção efetiva da solda

O menor dos dois valores: a) Metal base Rn= Awfy e φ = 0,90 b) Metal da solda Rn= 0,6 Awfw e φ = 0,75

Soldas de entalhe de penetração

parcial

Cisalhamento (soma vetorial) na seção efetiva

O menor dos dois valores: a) Metal base Rn= 0,6 Awfy e φ = 0,90 b) Metal da solda Rn= 0,6 Awfw e φ = 0,75

(1) Soldas de entalhe de penetração parcial, 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.

II.5.4 – SOLDAS DE TAMPÃO Podem ser usadas soldas de tampão em furos ou rasgos para transmitir forças paralelas às superfícies de contato em ligações por superposição ou para evitar flambagem (ou separação) das partes sobrepostas, e para ligar componentes de barras de seção composta. Estas soldas são executadas com as partes sobrepostas em contato, através da deposição do metal de solda em furos circulares ou em rasgos em uma das partes. As aberturas podem ser parcialmente ou totalmente preenchidas com solda, dependendo da sua profundidade. A capacidade de carga de uma solda de tampão é dada pelo produto da área do furo (ou do rasgo) pela tensão admissível da solda. As soldas de tampão não devem ser submetidas à cargas de tração. A área efetiva de cisalhamento de uma solda de tampão, em furo ou rasgo, deve ser igual à área nominal da seção transversal do furo ou rasgo no plano das superfícies em contato. Seguem algumas limitações que devem ser obedecidas pelas soldas de tampão (Fig. III.26): − O diâmetro dos furos para soldas de tampão em furos não pode ser inferior à espessura da

parte que os contém acrescida de 8 mm, nem maior que 2,25 vezes a espessura da solda. − A distância de centro a centro de soldas de tampão em furos deve ser igual ou superior a 4

vezes o diâmetro do furo. − O comprimento do rasgo para soldas de tampão em rasgos não pode ser maior que 10 vezes a

espessura da solda.

− A largura dos rasgos não pode ser inferior à espessura da parte que os contém acrescida de 8 mm, nem maior que 2,25 vezes a espessura da solda.

− As extremidades dos rasgos devem ser de forma semicircular, ou devem ter cantos arredondados de raio não inferior à espessura da parte que os contém, exceto aquelas extremidades que se estendem até a borda do elemento soldado.

− O espaçamento entre as linhas de centro de rasgos, medido na direção transversal ao comprimento dos rasgos, deve ser igual ou superior a 4 vezes a largura do rasgo.

− A distância de centro a centro de rasgos situados linha, deve ser igual ou superior a 2 vezes o comprimento dos rasgos.

− A espessura de soldas de tampão em furos ou rasgos situados em material de espessura igual ou inferior a 16 mm deve ser igual à espessura desse material. Quando a espessura desse material for maior que 16 mm, a espessura da solda deve ser no mínimo igual à metade da espessura do mesmo material, porém não inferior a 16mm.

Fig. III.26 – Soldas de tampão em furos e rasgos

Resistência de Soldas de Tampão A resistência de cálculo “φRn” das soldas de tampão está indicada na Tabela III.10. Nesta tabela, “AMB” é a área teórica da face de fusão, “Aw” é a área efetiva da solda, “fy” é a tensão de escoamento do metal base de menor “fy” na junta e “fw” a resistência mínima à tração do metal da solda, obtida da Tabela III.2. Tabela III.10 - Resistências de cálculo φRn de soldas de tampão em furos e rasgos

Tipo de solda Tipo de solicitação e orientação Resistências de cálculo

φRn

Soldas de tampão em

furos ou rasgos

Cisalhamento (soma vetorial) na seção efetiva

O menor dos dois valores: a) Metal base Rn= 0,60 AMBfy e φ = 0,90 b) Metal da solda Rn= 0,6 Awfw e φ = 0,75

II.6 – POSIÇÕES DE SOLDAGEM A Fig. III.27 mostra as quatro posições básicas de soldagem na construção metálica que são usadas na escolha dos eletrodos e na qualificação dos soldadores . A cada uma destas posições é associada uma letra de identificação, de acordo com a norma AWS D1.1. Esta letra será utilizada nas juntas pré-qualificadas para identificar as posições de soldagem permitidas para cada junta: − Solda plana (flat) = F − Solda horizontal (horizontal) = H − Solda vertical (vertical) = V − Solda sobre-cabeça (overhead) = OH II.7 - SIMBOLOGIA DE SOLDAGEM Ao definir uma solda o calculista deve ter uma forma de informar ao projetista e ao fabricante qual o tipo e qual a dimensão da solda necessária. A necessidade de uma forma simples e precisa de comunicação entre o projeto e a fábrica levou à definição de símbolos básicos para representar graficamente as soldas em estruturas metálicas. A AWS definiu símbolos padrões para representar as soldas, conforme indicado na Fig. III.28. A forma de representação de solda definida pela AWS permite indicar o tipo, dimensão, comprimento e locação da solda, assim como instruções especiais. Na Fig. III.29 são apresentados diversos exemplos de representação de soldas de acordo com a simbologia da AWS. Quando a simbologia da AWS não for suficientemente clara devem ser incluídos detalhes nos desenhos de projeto com a finalidade de esclarecimento sobre a solda utilizada.

Fig. III.27 – Posições de Soldagem

Fig. III.28 – Simbologia de Soldagem

Fig. III.29-a – Exemplos de representação gráfica de soldas

Fig. III.29-b – Exemplos de representação gráfica de soldas

Fig. III.29-c – Exemplos de representação gráfica de soldas

Fig. III.29-d – Exemplos de representação gráfica de soldas

Fig. III.29-e – Exemplos de representação gráfica de soldas

Fig. III.29-f – Exemplos de representação gráfica de soldas

Fig. III.29-g – Exemplos de representação gráfica de soldas

Fig. III.29-h – Exemplos de representação gráfica de soldas

Fig. III.29-i – Exemplos de representação gráfica de soldas

Fig. III.29-j – Exemplos de representação gráfica de soldas

Fig. III.29-k – Exemplos de representação gráfica de soldas

II.8 – JUNTAS SOLDADAS PRÉ-QUALIFICADAS O manual do AISC e a norma AWS isentam de testes e certificações a maioria das juntas soldadas executadas em estruturas metálicas. Estas juntas são denominadas pré-qualificadas. As juntas pré-qualificadas se limitam àquelas executadas pelos processos de soldagem SMAW, SAW, GMAW e FCAW. Nas páginas seguintes, extraídas do Manual do AISC, estão relacionadas as juntas pré-qualificadas da AWS.

B BCC TCT BTC

L espessura limitada, penetração totalU espessura ilimitada, penetração totalP penetração parcial

1 62 73 84 95 10

SGF

F plana (flat )H horizontalV verticalOH sobre cabeça (overhead )

AB Juntas soldadas de um lado apenas.Br Aplicações em "ponte" limitam o uso destas juntas na posição horizontal .C Extração de raiz antes de soldar o segundo lado.E Garganta efetiva mínima conforme mostrado na Especificação LRFD, tabela J2.3.J Se a solda de filete for usada para reforçar soldas de entalhe em juntas de cando ou em T, ela deve se igual a 1/4T1, com

limite de 9,5 mm. J2L Em pontes, juntas de topo e em T não são pré-qualificadasM

superior a 1/4 da espessura da peça menos espessa.Mp

N

Q Para juntas de canto e em T, a orientação dos membros deve mudar para manter as dimensões do entalhe como especificado.

Q2 R A orientação dos dois membros da junta deve variar de 45º a 135º para juntas em canto, e de 45º a 90º para juntas em T,

mantendo a mesma configuração básica da junta (ângulo de entalhe,"face da raiz", abertura da raiz) e a mesma espessura da garganta.

V Para juntas de canto, a preparação do entalhe externo deve ser em ambos os membros, prever que se mantenha a configuração básica do entalhe e uma adequada distância entre as arestas para suportar as operações de solda sem uma excessiva fundição da aresta.

solda com proteção gasosa - GMAWsolda com arame tubular - FCAW

entalhe em V simples

entalhe em bisel duploDesignação para o Processo de Soldagem

entalhe em bisel curvo

solda com arco submerso - SAW

JUNTAS SOLDADAS PRÉ-QUALIFICADASDesignação para Tipos de Juntas

junta de topo ou de cantojunta em T ou de canto

junta de topo (butt joint)junta de canto (corner joint)

junta de topo, em T ou de canto

entalhe em U simples

entalhe em J simplesentalhe em J duplo

entalhe em U duplo

Designação para a Espessura do Metal Base e Penetração

Designação para Tipos de Entalhes

entalhe em V duploentalhe em bisel simples

junta em T

entalhe reto

As letras minúsculas (por exemplo, a , b , c , d , etc.) são usadas para diferenciar juntas que possuem a mesma designação.

(ângulo de entalhe,"face da raiz", "abertura da raiz") e a mesma espessura da garganta.

Designação para a Posição de Soldagem

Notas para as Juntas Soldadas Pré-qualificadasJunta não é pré-qualificada para processo GMAW que utiliza transferência por curto-circuito.

Soldas em duplo entalhe devem possuir profundidades desiguais, mas a profundidade do entalhe mais raso deve ser

garganta efetiva (E), sem nenhuma redução, aplica-se individualmente para cada entalhe.A orientação dos dois membros da junta deve variar de 135º a 180º; mantendo a mesma configuração básica da junta

Soldas em duplo entalhe devem possuir profundidades desiguais, conforme as limitações da Nota E. Além disso, a

II.9 – LIGAÇÕES EXCÊNTRICAS Existem diversas situações onde a resultante das cargas na ligação não passa pelo centro de gravidade do grupo de soldas. Neste caso temos uma ligação excêntrica e o efeito desta excentricidade é, em algumas regiões das soldas, esforços superiores aos que ocorreriam se as cargas fossem centradas. A resultante das cargas pode estar no plano do grupo de soldas, e neste caso tem-se uma ligação excêntrica por corte, ou fora deste plano, quando se tem uma ligação excêntrica por flexão (Fig. III.30). Nas ligações excêntricas por corte os esforços adicionais que aparecem na solda são de corte no plano da solda; nas ligações excêntricas por flexão os esforços adicionais que aparecem nas soldas são perpendiculares ao plano da solda.

Fig. III.30 – Exemplos de ligações soldadas excêntricas

II.9.1 – LIGAÇÕES EXCÊNTRICAS POR CORTE Quando a linha de ação das cargas passa no centro de gravidade do grupo de soldas de filete que compõe uma ligação soldada, a tensão de cisalhamento na solda é uniforme e é obtida dividindo-se a resultante vetorial das cargas atuantes pela área total de solda. Quando a linha de aço da resultante das cargas não coincide com o centro de gravidade do conjunto de soldas a distribuição de tensões de cisalhamento nas soldas é variável e deve-se determinar o ponto mais solicitado do conjunto de soldas para efetuara verificação da ligação. Para determinar a resistência de um grupo de soldas submetido à cargas excêntricas utiliza-se normalmente um dos seguintes métodos: 1) Método da Resistência – também conhecido como Método do Centro Instantâneo de

Rotação utiliza-se de uma relação não linear entre a resistência da solda e a sua deformação para, através de um processo iterativo, chegar a uma configuração de equilíbrio da ligação.

2) Método Elástico – é um processo de determinação direta dos efeitos variáveis das cargas na solda onde, através de considerações de equilíbrio, obtém-se facilmente os esforços na solda.

O Método da Resistência conduz a resultados mais econômicos, porém é um processo trabalhoso o qual só é viável mediante o uso de computador ou de tabelas disponíveis no Manual do AISC. O Método Elástico é de fácil aplicação porém é mais conservador, levando a soldas maiores. As ligações excêntricas usuais não costumam necessitar de soldas pesadas mesmo que utilizando o método elástico e, portanto, devido à sua facilidade de utilização será o método adotado neste trabalho. Método Elástico para Ligações Excêntricas por Corte O método elástico baseia-se nas seguintes considerações: 1) As cargas excêntricas são transferidas para o centro de gravidade do grupo de soldas

juntamente com o momento torsor que elas causam em relação ao este mesmo centro de gravidade.

2) A resultante das cargas aplicada no centro de gravidade da solda causará tensão uniforme na solda, igual a esta carga dividida pela área total de solda.

2) A tensão em cada ponto da solda, devida ao momento torsor, é proporcional à distância deste ponto até o centro de gravidade do grupo de soldas.

3) A direção da tensão num ponto qualquer da solda, devida ao momento torsor, é perpendicular à reta que une o centro de gravidade da solda com o ponto em consideração.

4) A tensão final num ponto qualquer da solda será obtido pela resultante vetorial das tensões de vidas à carga propriamente dita e ao momento torsor.

Para transferir a carga para o centro de gravidade da solda, assim como para avaliar o momento torsor que ela causa, é aconselhável decompor a carga segundo as duas direções principais da ligação, direções x e y (Fig.III.31).

Fig.III.31 – Transferência de carga para o C.G. da ligação

As componentes Px e Py da carga causarão tensão uniforme na solda. As componentes x e y desta tensão, em qualquer ponto da solda, será dada por:

ww

xx tl

Pf

⋅=1 e

ww

yy tl

Pf

⋅=1

O momento torsor M é dado por:

xyyx ePePM ⋅+⋅=

onde “ex” e “ey” são as componentes da excentricidade “e” nas direções x e y, respectivamente. As parcelas de tensão nas direções x e y, devidas ao momento torsor M serão dadas por (Fig. III.32):

p

x IyM

f⋅=2

p

y IxM

f⋅=2

onde “x” e “y” definem a posição do ponto analisado em relação ao C.G. da solda e “Ip” é o momento de inércia polar do cordão de solda. O momento de inércia polar da solda é dado pela soma dos momentos de inércia “Ix” e “Iy”. Os momentos de inércia da solda podem ser calculados considerando a solda como uma linha e multiplicando-se suas propriedades geométricas pela garganta efetiva da solda:

yxp III += A Tab. III.11 fornece as propriedades geométricas para diversas formas de cordões de solda, tratados como linha.

Fig. III.32 - Tensões devidas ao momento M No caso da solda da Fig. III.31 a posição do centro de gravidade e o momento de inércia polar são dados por:

db

bxCG +⋅

=2

2

db

bddbbI p +⋅

−+⋅⋅+⋅=212

68 4323

onde “b” é a dimensão horizontal da ligação e “d” é a dimensão vertical da ligação. Adota-se como dimensões da ligação os comprimentos dos lados da chapa nos quais a solda de filete está apoiada.

Tab. III.11 – Propriedades das soldas tratadas como linha