As verificações requeridas nas normas de projeto para a segurança da estrutura contra falha por escoamento, instabilidade e falha por fadiga não garantem a segurança contra fratura frágil. Para obter a segurança suficiente contra fratura frágil, a qualidade do aço deve ser escolhida de acordo com as condições que influenciam a fratura frágil.
A fadiga é uma das causas de falha contempladas no caso de estruturas sujeitas a deformações significativas e, portanto, a verificação à fadiga é um adicional em relação ao limite elástico, flambagem global ou flambagem local. Se as tensões admissíveis à fadiga forem maiores do que as permitidas para outras condições, isto indica que as dimensões dos componentes não são determinadas pela verificação à fadiga.
As verificações de elementos sujeitos à fadiga estão relacionadas aos parâmetros que devem ser considerados ao verificar os componentes estruturais à fadiga. O objetivo primeiramente é classificar as diversas juntas de acordo com o seu efeito de entalhe, conforme definido o material utilizado e efeito de entalhe e, em seguida, determinar para estes vários efeitos de entalhe e para cada grupo de classificação do componente, conforme definido na NBR 8400-1, 5.1.4, as tensões admissíveis à fadiga como uma função do coeficiente κ definido na norma abaixo.
Estas tensões admissíveis à fadiga foram determinadas como resultado dos ensaios realizados em corpos de prova com diferentes efeitos de entalhe e submetidas a vários espectros de carga. Elas foram determinadas com base nos valores de tensão que nos ensaios garantiram 90% de sobrevivência, incluindo um fator de segurança de 4/3.
Na prática, uma estrutura consiste em elementos que foram soldados, rebitados ou aparafusados e a experiência mostra que o comportamento de um elemento difere bastante de um ponto para o outro. A região próxima de uma junta constitui invariavelmente um ponto fraco que estará vulnerável, conforme o tipo de junta empregado.
Examina-se, desta forma, em primeiro estágio o efeito da fadiga sobre os elementos, distantes de qualquer junta e nas proximidades imediatas das juntas. Em segundo estágio, examina-se a resistência à fadiga dos elementos de junta propriamente ditos (cordões de solda, rebites e parafusos).
O ponto de partida é a resistência à fadiga do metal contínuo distante de uma junta e, geralmente, distante de um ponto no qual uma concentração de tensão e por consequência, uma diminuição da resistência à fadiga pode ocorrer. Para considerar a redução de resistência próxima às juntas, como resultado da presença de furos ou soldas que produzem alterações de seção, os efeitos dos entalhes ao redor destas juntas, que caracterizam as concentrações de tensão causadas pela presença de descontinuidades no metal, são examinados.
Estes efeitos dos entalhes causam uma redução das tensões admissíveis e a extensão depende do tipo de descontinuidade encontrada, ou seja, do método de montagem utilizado. Para classificar a importância destes efeitos dos entalhes, as várias formas de construção de juntas são divididas em categorias conforme as partes não soldadas.
Estes elementos apresentam três casos de construção. Caso W0 está relacionado ao próprio material sem o efeito do entalhe. Casos W1 e W2 estão relacionados aos elementos perfurados. Nas partes soldadas, as juntas estão organizadas por ordem de severidade do efeito do entalhe, aumentando de K0 até K4, correspondendo às partes estruturais localizadas próximas dos filetes de solda.
A tabela abaixo fornece algumas indicações para os entalhes, de acordo com a qualidade e a classificação da solda e de várias juntas que são utilizadas com mais frequência, na construção de equipamentos de elevação. Para a determinação das tensões admissíveis à fadiga para solicitações de tração e compressão, os valores-base que foram utilizados para determinar as tensões admissíveis na tração e compressão são aqueles resultantes da aplicação de uma tensão alternada constante ± σw (κ = –1) fornecendo uma taxa de sobrevivência de 90% nos ensaios, a qual um fator de segurança de 4/3 foi aplicado.
Para considerar o número de ciclos e o espectro de tensão, os valores σw foram determinados para cada grupo de classificação do elemento, o qual leva em consideração estes dois parâmetros. Para partes não soldadas, os valores σw são idênticos para diversos aços de menor grau de resistência. Estes valores são mais altos para aços de maior grau de resistência. Para partes soldadas, os valores σw são considerados idênticos para diversos tipos de aços estruturais de baixa e média resistência.
A NBR 8400-2 de 06/2019 – Equipamentos de elevação e movimentação de carga – Regras para projeto – Parte 2: Verificação das estruturas ao escoamento, fadiga e estabilidade estabelece as verificações a serem realizadas para os diversos elementos estruturais considerando os três casos de solicitação definidos na NBR 8400-1, e se existe margem de segurança suficiente em relação às tensões críticas, considerando as três possíveis causas de falha descritas a seguir: exceder o limite de escoamento; exceder a tensão crítica de flambagem global ou localizada; e exceder o limite de resistência à fadiga. Estabelece também as verificações as serem feitas em relação à estabilidade do equipamento em operação e fora de operação, para assegurar margem de segurança suficiente contra o tombamento e arrastamento, devido a ação do vento.
Esta norma não se aplica aos seguintes equipamentos: guindastes móveis com lança sobre pneus de borracha sólida ou pneumáticos, esteiras de lagartas, caminhões e reboques; equipamentos de elevação produzidos em série; talhas elétricas; talhas pneumáticas; acessórios para içamento; talhas manuais; plataformas de elevação, plataformas de trabalho; guinchos; macacos, tripés, aparelhos combinados para tração e içamento; empilhadeiras; e equipamentos de manuseio de materiais a granel.
As tensões geradas nos diversos elementos estruturais são determinadas para os três casos de solicitação definidos na NBR 8400-1 e uma verificação é realizada para assegurar que há segurança suficiente de um coeficiente n, em relação às tensões críticas, considerando as três possíveis causas de falha descritas a seguir: exceder o limite elástico; exceder a tensão crítica de flambagem global ou localizada; e exceder o limite de resistência à fadiga. A qualidade do aço utilizado deve ser estabelecida e as propriedades físicas, composição química e qualidade da solda devem ser garantidas pelo fabricante do material.
As tensões admissíveis para os materiais utilizados são determinadas, conforme prescrito na norma, com referência às tensões críticas para o material. Estas tensões críticas são aquelas que correspondem ao limite elástico, que, na prática, envolve estabelecer a tensão correspondente ao limite crítico para escoamento ou à tensão crítica de flambagem global ou localizada ou, no caso de fadiga, a tensão para a qual a probabilidade de sobrevivência nos ensaios é de 90%.
As tensões nos elementos estruturais devem ser calculadas com base nos diferentes casos de solicitação examinados na NBR 8400-1, aplicando-se os procedimentos convencionais de cálculo de resistência dos materiais. As verificações requeridas nas normas de projeto para a segurança da estrutura contra falha por escoamento, instabilidade e falha por fadiga não garantem a segurança contra fratura frágil.
Para obter segurança suficiente contra fratura frágil, a qualidade do aço deve ser escolhida de acordo com as condições que influenciam a fratura frágil. As influências mais importantes sobre a sensibilidade à fratura frágil em estruturas de aço são as seguintes: A: efeito combinado da tensão residual longitudinal com a tensão do peso próprio; B: espessura do elemento t; C: influência do frio. As influências A, B, e C são avaliadas em número de pontos.
A qualidade do aço requerida depende da soma destes pontos. Além das condições descritas anteriormente para a escolha da qualidade do aço, os seguintes requisitos devem ser observadas: aços não acalmados ou não desoxidados do grupo de qualidade 1 podem ser utilizados para as estruturas de equipamentos de manuseio de carga somente no caso de perfis laminados e tubos não excedendo a 6 mm de espessura; elementos com espessura superior a 50 mm não podem ser utilizados para estruturas soldadas de equipamentos de manuseio de carga, salvo se o fabricante possuir uma ampla experiência em solda de chapas espessas.
A qualidade do aço e seu ensaio, neste caso, devem ser determinados por especialistas. Se as partes forem curvadas a frio com uma relação de raio/espessura da chapa < 10, a qualidade do aço deve ser adequada para curvatura a frio.
Para a verificação com relação ao limite elástico, há distinção entre os elementos da estrutura e as juntas rebitadas, aparafusadas ou soldadas. O caso de aços para os quais a relação entre a tensão de escoamento σE e a tensão de ruptura σR < 0,7, a tensão calculada σ não pode exceder a tensão máxima admissível σa obtida ao dividir a tensão de escoamento σE pelo coeficiente νE que depende do caso de solicitação, conforme definido na norma. Os valores de νE e as tensões admissíveis são fornecidos na tabela abaixo.
As juntas aparafusadas podem ser submetidas a tensões devido às forças que atuam perpendicularmente à junta (unidas por parafusos de tração), devido às forças que atuam paralelamente às superfícies das juntas e, também, devido às forças que atuam simultaneamente perpendicular e paralelamente à superfície da junta. Uma junta com parafusos de tração com aperto controlado é uma junta na qual a tensão principal está na direção do eixo do parafuso ou haste rosqueada e que foi submetida ao efeito do aperto aplicado na ausência de uma carga externa, o que é recomendado para todas as juntas submetidas à fadiga.
Cuidados devem ser tomados para assegurar que o parafuso não seja submetido à carga de cisalhamento. Estes parafusos não estão incluídos na categoria de parafusos de alta resistência, porém podem ser utilizados se atenderem às condições do Anexo A.
Cuidados devem ser tomados para assegurar que os parafusos sejam apertados corretamente e que o aperto seja permanente (tolerância de ± 10%). O fator Ω = 1,1 é introduzido para considerar as tolerâncias. Durante a aplicação do aperto inicial no parafuso, sob o efeito combinado de tração e carga de torção, a tensão não pode exceder a 80% do limite elástico, levando em consideração as perdas na aplicação do aperto inicial.
As seguintes verificações pressupõem que o aparafusamento foi efetuado sob condições apropriadas, ou seja, utilizando parafusos ajustados (torneados ou com acabamento a frio) com as devidas tolerâncias e hastes que preencham a extensão total dos furos feitos nas partes a serem montadas. Os furos devem ser feitos e alargados com as devidas tolerâncias.
Os parafusos comuns de aço-carbono de baixa resistência, como os de classe 5.6, são permitidos somente para juntas secundárias que não transmitem cargas pesadas. Estes parafusos são proibidos para juntas submetidas à fadiga.
No caso de estruturas sujeitas a deformações significativas, as tensões nos elementos podem não ser proporcionais às forças aplicadas devido à deformação da estrutura como resultado da aplicação destas forças. Este é o caso, por exemplo, com a tensão produzida na coluna de um guindaste, onde está claro que o momento na coluna não é proporcional às forças aplicadas devido às deformações que aumentam seu braço de momento.
O risco de fadiga ocorre quando um elemento é submetido a cargas variáveis e repetidas. A resistência à fadiga é calculada considerando os seguintes parâmetros: o número convencional de ciclos e o espectro de tensão os quais o elemento é submetido; o material utilizado e o efeito de entalhe no ponto que está sendo avaliado; a tensão máxima extrema σmáx que pode ocorrer no elemento; e a relação κ entre os valores extremos de tensão.
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