Introdução
Conexões aparafusadas e soldadas são as duas formas mais comuns de montagem em diversas estruturas mecânicas. Este artigo compara e contrasta principalmente esses dois métodos predominantes de conexão em estruturas de aço, resumindo suas vantagens e desvantagens.
Seções de componentes compostos de aço, como placas ou perfis de aço, precisam ser conectadas entre si. Toda a estrutura de aço deve ser montada em um todo nos pontos de conexão. Portanto, a qualidade e o custo-benefício de uma estrutura de aço são diretamente influenciados pela qualidade do projeto de sua ligação.
No passado, as estruturas de aço eram conectadas usando métodos como cupilhas, parafusos, rebites e soldas. No entanto, as conexões de contrapino e rebite não são mais usadas em novas estruturas de aço, portanto esses métodos não serão discutidos mais adiante.
EU. Conexões soldadas
As conexões soldadas são formadas pela fusão da haste de soldagem e das peças a serem soldadas com o calor gerado por um arco elétrico. Após o resfriamento, essas peças fundidas solidificam em uma costura de solda, integrando assim as peças em uma única unidade.
As conexões soldadas são o principal método de conexão das estruturas de aço atuais, sendo a soldagem por arco manual e a soldagem por arco submerso automática (ou semiautomática) os métodos de soldagem mais comumente usados.
Vantagens
Em comparação com as ligações aparafusadas, as estruturas soldadas apresentam várias vantagens:
(1) Conexões soldadas não necessitam de furação, portanto não há enfraquecimento da seção transversal. Também não há necessidade de componentes de ligação adicionais, simplificando a construção. Como resultado, as conexões soldadas podem economizar mão de obra e materiais, gerando benefícios econômicos. Estas podem ser consideradas suas vantagens mais significativas.
(2) As estruturas soldadas oferecem boa vedação, alta rigidez e excelente integridade. Além disso, algumas juntas, tais como ligações em forma de Y e T entre tubos de aço, são difíceis de conseguir com ligações aparafusadas ou outros métodos, tornando a soldadura a opção preferível.
Desvantagens
As juntas soldadas apresentam as seguintes deficiências:
(1) São afetados por altas temperaturas durante o processo de soldagem;
(2) As costuras de solda geralmente contêm vários defeitos, e o metal base próximo à costura de solda pode tornar-se quebradiço, o que pode levar à concentração de tensões e fissuras aumentadas na estrutura;
(3) Devido à rigidez da estrutura soldada, fissuras localizadas podem facilmente estender-se a toda a estrutura. Conforme mencionado anteriormente, as estruturas soldadas são propensas à fragilidade em baixas temperaturas;
(4) Após a soldagem, a contração irregular induzida pelo resfriamento pode levar a tensões residuais de soldagem dentro da estrutura. Isto pode fazer com que algumas seções entrem prematuramente na plasticidade quando carregadas, reduzindo a estabilidade crítica das tensões quando comprimidas;
(5) Após a soldagem, a expansão e contração irregulares podem causar deformação residual da soldagem, como causar deformação em uma placa de aço plana.
Dadas estas limitações das juntas soldadas, devem ser tomadas medidas para evitar ou reduzir o seu impacto negativo durante o projeto, fabricação e instalação.
Simultaneamente, a qualidade das soldas deve ser inspecionada e aceita de acordo com a norma nacional “Especificação de Aceitação de Qualidade para Engenharia de Estruturas de Aço”.
Prestar atenção à seleção do material, ao projeto do cordão de solda, ao processo de soldagem, à técnica do soldador e à inspeção aprimorada do cordão de solda pode prevenir a ocorrência de falhas frágeis no cordão de solda.
II. Conexões aparafusadas
As conexões aparafusadas unificam os componentes através do uso de parafusos, um tipo de fixador. Existem dois tipos de conexões aparafusadas: conexões aparafusadas padrão e conexões aparafusadas de alta resistência.
1. Tipos de parafusos
Os parafusos usados em conexões de estruturas de aço são categorizados como parafusos padrão e parafusos de alta resistência. Os parafusos padrão normalmente têm cabeças hexagonais e são classificados como A, B e C.
Os parafusos de grau C geralmente podem ser feitos de aço Q235, formado a partir de aço redondo laminado a quente. Estes são parafusos grossos, com requisitos relativamente baixos para a fabricação de furos de parafuso, portanto, são amplamente utilizados em conexões de parafusos padrão.
Os parafusos padrão de grau A e B são parafusos de precisão, exigindo padrões de fabricação mais elevados tanto para o parafuso quanto para o furo do parafuso. A instalação de parafusos padrão geralmente envolve chaves manuais, sem um requisito específico de pré-tensão no parafuso.
Os parafusos de alta resistência utilizados em estruturas de aço têm um significado específico. Eles são instalados com uma chave especialmente projetada, garantindo uma pré-tensão prescrita no parafuso e, portanto, uma pré-pressão especificada na superfície de contato das placas conectadas.
Para atingir o valor de pré-tensão necessário, estes parafusos devem ser fabricados em aço de alta resistência.
Embora os parafusos padrão das classes A e B também sejam feitos de aço de alta resistência, eles ainda são chamados de parafusos padrão.
Os graus de desempenho dos parafusos de alta resistência incluem 8,8 e 10,9. Os parafusos de alta resistência são feitos de materiais como aço de médio carbono ou aço-liga, que são tratados termicamente (temperados e revenidos) para maior resistência.
A resistência à tração (fub) dos parafusos de alta resistência grau 8,8 não é inferior a 800N/mm2, com uma relação de limite de escoamento de 0,8. A resistência à tração dos parafusos de alta resistência de grau 10,9 não é inferior a 1000N/mm2, com uma relação de limite de escoamento de 0,9.
2. Tipos de conexões aparafusadas
As conexões aparafusadas são favorecidas por sua eficiência de tempo e mão de obra, simplicidade do equipamento de instalação necessário e requisitos de habilidade menos exigentes para trabalhadores da construção em comparação com soldadores.
Eles perdem apenas para conexões soldadas em uso em conexões de estruturas de aço. As conexões aparafusadas são divididas em conexões aparafusadas padrão e conexões aparafusadas de alta resistência.
Dependendo da situação de tensão, cada uma delas é dividida em três tipos: conexões aparafusadas resistentes ao cisalhamento, conexões aparafusadas resistentes à tensão e conexões aparafusadas que suportam simultaneamente cisalhamento e tensão.
Parafusos de rosca grossa (parafusos Grau C) são comumente usados em conexões aparafusadas padrão. Sua resistência ao cisalhamento depende da resistência ao cisalhamento do eixo do parafuso e da resistência à compressão da parede do furo.
A resistência à tração depende da resistência à tração axial do parafuso. Conexões aparafusadas de rosca grossa, que geralmente são usadas apenas em componentes secundários que não suportam cargas dinâmicas diretamente, como suportes, tiras de atrito, vigas de parede, pequenas treliças e estruturas removíveis, resistem às forças de cisalhamento.
Por outro lado, devido à resistência superior à tração do parafuso, ele é comumente usado em conexões de nós em canteiros de obras que colocam o parafuso sob tensão.
Em termos de conexões aparafusadas convencionais, são utilizados parafusos de rosca fina (parafusos Grau A e B) devido à sua alta qualidade para conexões de alta resistência ao cisalhamento.
No entanto, como a fabricação dos parafusos é complexa, os requisitos de instalação são altos (o diâmetro do furo e o diâmetro do eixo do parafuso são quase idênticos) e o preço é caro, eles são frequentemente substituídos por conexões de fricção de parafusos de alta resistência, que serão discutidas mais tarde.
As conexões do tipo rolamento com parafuso de alta resistência têm os mesmos requisitos de material do parafuso, pré-carga e instalação na construção que as conexões do tipo fricção.
A diferença é que sua capacidade de suporte final é baseada na superação do atrito, onde as placas conectadas deslizam umas em relação às outras e o parafuso falha devido ao cisalhamento e à compressão da parede do furo.
Portanto, sua capacidade de carga é maior do que a das conexões de fricção com parafusos de alta resistência, economizando materiais de conexão. Porém, este tipo de ligação tem sua aplicação limitada devido à deformação por deslizamento que ocorre após a superação do atrito.
É especificado para uso somente em estruturas que suportam cargas estáticas ou suportam indiretamente cargas dinâmicas. Os requisitos de tratamento superficial para as superfícies de contato dos componentes conectados são menores do que para conexões de fricção, exigindo apenas a remoção de óleo e ferrugem flutuante.
O desempenho das conexões do tipo rolamento é idêntico ao dos parafusos padrão, mas devido à pré-carga no eixo do parafuso e à aplicação de aço de alta resistência, o desempenho supera o das conexões aparafusadas padrão.
3. Vantagens e desvantagens das conexões aparafusadas
Vantagens das ligações aparafusadas: Oferecem um processo de construção simples e fácil instalação, tornando-as particularmente adequadas para montagem no local.
Também são convenientes para desmontagem, tornando-os ideais para estruturas que precisam ser montadas e desmontadas, bem como para conexões temporárias.
Desvantagens das conexões aparafusadas: Exigem furos nas placas e combinados durante a montagem, o que aumenta a carga de trabalho de fabricação. Além disso, é necessária maior precisão na fabricação.
Os furos dos parafusos também enfraquecem a seção dos componentes, e as peças conectadas muitas vezes precisam se sobrepor ou requerem placas de conexão auxiliares adicionais (ou cantoneiras de aço), tornando a estrutura mais complexa e aumentando o consumo de aço.
