Para visualizar as figuras e tabelas associadas a este artigo, consulte o flipbook acima.
O especialista em soldagem Duane Miller escreveu um excelente par de artigos para as edições de fevereiro e março de 2024 da revista STRUCTURE. Os artigos descreveram 10 condições em que as soldas podem sofrer carregamento irregular. Estas condições podem ser problemáticas se não forem evitadas ou se não receberem atenção especial no design. A suposição comum de que as cargas aplicadas causam tensões uniformes em uma solda não se aplica a estas condições. No entanto, e se você estiver usando uma abordagem de design que nunca faz tal suposição? O projeto de conexões por análise inelástica, por exemplo, usando o método de elementos finitos baseado em componentes (CBFEM), tal como implementado no IDEA StatiCa Connection, não faz suposições amplas sobre a distribuição de tensão nas soldas ou quaisquer outros componentes. As tensões surgem naturalmente na análise baseada na rigidez dos vários componentes da ligação. Este artigo analisa cada uma das 10 condições de Miller para identificar que atenção especial elas requerem ao projetar por análise inelástica.
Dez condições mais frequentemente encontradas envolvendo soldas com carga irregular
Em sua série de duas partes 2024 STRUCTURE sobre soldas com carga irregular (edições de fevereiro e março), o autor Duane Miller resumiu as seguintes condições comuns encontradas.
Condição 1: Carregamento desigual devido à flexão na raiz das soldas de filete ou ranhura PJP
Condição 2: Carregamento irregular devido a uma única solda transversal em uma junta sobreposta com carga final
Condição 3: Carregamento desigual devido ao curto espaçamento entre soldas transversais em conexões com carga final
Condição 4: Carregamento desigual devido ao atraso de cisalhamento
Condição 5: Carregamento irregular devido a uma solda longa em uma conexão com carga final
Condição 6: Carregado de forma desigual porque o grupo de solda está carregado de forma desigual
Condição 7: Carregamento desigual porque a solda fixa um membro rígido a um membro flexível
Condição 8: Carregamento desigual porque as soldas transversais são combinadas com soldas longitudinais
Condição 9: Carga desigual porque a solda faz parte de uma conexão tubular
Condição 10: Carregamento irregular porque as soldas são combinadas com parafusos ou rebites
A primeira condição é o carregamento irregular devido à flexão em torno da raiz de uma solda em ângulo ou ranhura PJP. A segunda condição é uma única solda transversal em uma junta sobreposta com carga final, onde há potencial para carregamento irregular devido à flexão em torno da raiz se a deflexão das peças sobrepostas não for suficientemente restringida. A modelagem de soldas varia nas abordagens de análise inelástica, mas no CBFEM, as soldas de filete e as soldas de canal PJP são modeladas usando restrições multiponto e um elemento de casca de solda equivalente que se aproxima do comportamento elastoplástico da solda. Um aspecto importante desta abordagem de modelagem é que ela resulta em rigidez à flexão zero em torno da raiz da solda. Como resultado, nenhuma tensão de flexão pode se desenvolver e, para os detalhes mostrados no artigo de Miller, a análise não será executada porque a falta de rigidez à flexão torna o modelo instável. No entanto, em alguns casos, a ligação pode não depender da rigidez à flexão da solda para ser estável, e podem desenvolver-se deformações por flexão em torno da raiz de uma solda. As deformações por flexão devem ser evitadas através da inspeção da forma defletida do modelo de análise e do detalhamento adequado da conexão.
Na terceira condição, o carregamento desigual é devido ao curto espaçamento entre as soldas transversais nas ligações com carga final. Utilizando o CBFEM, o espaçamento tem efeito mínimo na resistência das soldas. Considere a ligação mostrada na Figura 1. Sem não linearidade geométrica, as condições de contorno e a excentricidade resultam em flexão significativa nas placas. A flexão é reduzida com a não linearidade geométrica devido aos efeitos da membrana, mas o espaçamento curto não tem efeito nas soldas. Para espaçamentos muito curtos (por exemplo, sobreposição de 1/2 polegada), as placas cedem, limitando a resistência, mas novamente a avaliação das soldas não é afetada. A avaliação da resistência por análise inelástica elimina a necessidade de verificar certos estados limites capturados pelo modelo, mas não elimina a necessidade de satisfazer requisitos de detalhamento, como o requisito da Seção J2.2b(f) da Especificação AISC, que prescreve uma distância mínima de sobreposição.
O shear lag é a preocupação na quarta condição. Embora o atraso de cisalhamento exista em conexões como a junta sobreposta com carga terminal mostrada na Figura 2, não está claro se o atraso de cisalhamento afeta a resistência da conexão. As análises da CBFEM não detectaram qualquer redução na resistência da solda devido ao cisalhamento para esta conexão, mas também não o fez uma série recente de experimentos físicos conduzidos pelo autor. No entanto, assim como para a terceira condição, os requisitos de detalhamento da American Welding Society (AWS) devem ser satisfeitos mesmo quando se avalia a resistência usando análise inelástica. Especificamente, a cláusula 4.9.2 da AWS D1.1 especifica que o comprimento de cada solda de ângulo não deve ser inferior à distância perpendicular entre elas se as soldas de ângulo longitudinais forem usadas isoladamente em juntas sobrepostas de conexões finais de barras planas ou membros de placas.
Soldas longas em conexões com carga final sofrem carregamento irregular devido à compatibilidade de deformação entre as peças conectadas. A tensão perto das extremidades das soldas é maior do que perto do meio, com a diferença dependendo da rigidez relativa entre as soldas e as partes conectadas. No projeto tradicional, esta quinta condição de solda com carga desigual é resolvida usando um comprimento efetivo reduzido para soldas longas. No projeto por análise inelástica, a rigidez das soldas e das peças conectadas é modelada explicitamente e a compatibilidade de deformações é aplicada. Assim, os resultados capturam com mais precisão o efeito do carregamento desigual do que a equação aproximada. Uma comparação entre os resultados das análises da CBFEM e o desenho tradicional é mostrada na Figura 3 com base em um estudo maior.
A sexta condição é quando o grupo de solda está carregado de forma desigual ou excêntrica. No projeto tradicional, esta condição é frequentemente abordada usando o método do centro de rotação instantâneo por meio de tabelas na Parte 8 do Manual AISC. O método do centro de rotação instantâneo é em si um método de análise não linear que garante que o equilíbrio e a compatibilidade de deformação sejam satisfeitos, ao mesmo tempo que incorpora o efeito benéfico do fator de aumento de resistência direcional. Comparações entre o método do centro de rotação instantâneo e o CBFEM para conexões de placas de suporte mostraram que o CBFEM captura de forma conservadora o carregamento irregular.
As condições 7 a 10 apresentam múltiplos caminhos de carga possíveis, com carregamentos irregulares surgindo porque alguns caminhos são mais rígidos ou mais fortes que outros. O projeto por análise inelástica é adequado para avaliar adequadamente essas condições porque a rigidez de todos os componentes é modelada explicitamente e a compatibilidade de deformação e o equilíbrio são aplicados.
Soldar um membro rígido a um membro flexível é a sétima condição. Uma placa sob tensão soldada através do flange de uma seção em forma de I, como mostrado na Figura 4, é um exemplo clássico da Condição 7. A solda entre a placa e o flange é carregada de forma desigual porque uma porção maior da carga é atraída para o caminho mais rígido diretamente através do flange e para dentro da alma. Quando modelado usando o CBFEM, as tensões de soldagem são mais altas na alma do membro em forma de I. Essas soldas atingem primeiro seu aproveitamento total, sinalizando que a resistência da conexão foi atingida, mesmo quando as partes da solda próximas às pontas do flange não estão em sua capacidade total. A nona condição, soldas que fazem parte de uma conexão tubular, é outro exemplo de soldagem de um elemento rígido a um elemento flexível. Novamente, a CBFEM é capaz de detectar o carregamento irregular e calcular a utilização das soldas de acordo.
Na oitava condição, as soldas transversais são combinadas com as longitudinais e o carregamento desigual ocorre porque as conexões soldadas com soldas transversais são mais fortes, mas menos dúcteis do que conexões semelhantes feitas com soldas longitudinais. A Especificação AISC fornece a Equação J2-6 para grupos de solda carregados concentricamente como este. Mesmo sem a implementação desta equação, o CBFEM capta bem o efeito, uma vez que o comportamento subjacente é modelado e incorporado nas verificações de resistência (Fig. 5).
A décima e última condição de carregamento irregular ocorre quando as soldas são combinadas com parafusos ou rebites. A Seção J1.8 da Especificação AISC permite que parafusos e soldas sejam considerados como compartilhando carga apenas no projeto de conexões de cisalhamento em uma superfície de contato comum, onde a compatibilidade de deformação entre os parafusos e as soldas é considerada. As verificações de resistência para parafusos e soldas são independentes na CBFEM, sem tratamento especial de quando parafusos e soldas compartilham carga. Dada a modelagem explícita da rigidez de parafusos, soldas, barras e elementos de ligação, a compatibilidade de deformações é sempre considerada no CBFEM. Quando parafusos e soldas compartilham carga, a resistência necessária de cada um é baseada em sua rigidez relativa. O resultado são resistências globais semelhantes às obtidas usando o método aproximado também apresentado na Seção J1.8 da Especificação AISC. Entretanto, a CBFEM geralmente não proíbe o compartilhamento de cargas entre parafusos e soldas em ligações tensionadas. O usuário deve evitar casos como este modelando parafusos ou soldas em ligações tensionadas, mesmo que ambos estejam presentes na ligação física.
Soldas com carga irregular, como avaliadas nos artigos originais de Miller e revisitadas aqui, merecem atenção especial porque podem ser menos eficientes do que soldas com carga uniforme e porque violam suposições comuns nas abordagens de projeto tradicionais. O projeto por análise inelástica fornece um caminho a seguir para essas soldas porque modelos de análise bem definidos nunca assumem que as soldas sejam carregadas uniformemente. Além disso, a análise inelástica pode ser utilizada para identificar se são necessárias medidas para mitigar os efeitos do carregamento irregular e, quando necessário, ajudar a determinar a melhor estratégia de mitigação. ■
Sobre o autor
Mark Denavit é professor associado do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade do Tennessee, Knoxville.
Referências
https://www.ideastatica.com/support-center/long-bolted-and-welded-connections-aisc
https://www.ideastatica.com/support-center/bracket-plate-connections-aisc
