Categorias de Detalhe de Fadiga: a Mesma Solda, Duas Categorias e uma Vida Diferente

Duas soldas no mesmo desenho de fabricação podem parecer idênticas: mesma garganta, mesmo eletrodo, mesma viga embaixo. Ainda assim, uma dá à viga vida infinita à fadiga, e a outra trinca em algumas centenas de milhares de ciclos. O aço está bom. A seção está boa. O que decide o desfecho é a categoria de detalhe de fadiga: uma letra ou um número que classifica quão aguda é, de fato, a concentração local de tensão na ligação.

Essa é a parte do projeto em aço que mais surpreende as pessoas, porque não obedece à intuição que você construiu nas verificações de resistência. Numa verificação de resistência você aumenta a barra ou usa um aço mais forte e o problema some. Numa verificação de fadiga, um grau de aço mais alto quase não compra nada, e a geometria da pequena chapa que você soldou à mesa pode cortar a vida por um fator de quatro, ou virá-la de para sempre para finita.

Este é um guia de nível básico escrito para três leitores: o estudante de engenharia que encontra a fadiga pela primeira vez, o calculista em atividade que dimensiona barras toda semana, e o engenheiro independente que precisa defender um detalhe diante de um cliente. Definimos cada termo antes de usá-lo, e ancoramos toda a discussão numa viga real. Rodamos uma IPE 360 biapoiada no motor de elementos finitos da CalcSteel, tiramos dela uma única faixa de tensão nominal, e então percorremos a vida à fadiga do mesmo detalhe soldado desde infinita até 167.000 ciclos, mudando nada além da categoria. Uma viga, uma tensão, sete vidas muito diferentes.

Uma categoria de detalhe de fadiga é uma letra (o AISC usa A, B, B', C, D, E, E') ou um número (o Eurocode usa a tensão de referência em MPa) que classifica quão severa é a concentração local de tensão de uma ligação soldada ou parafusada. Ela fixa a curva S-N daquela ligação e, portanto, fixa a faixa de tensão admissível e a vida à fadiga para um dado número de ciclos.

Leia essa definição duas vezes, porque a armadilha está no que a categoria não é. A categoria é uma propriedade do detalhe, ou seja, da geometria da ligação e de como ela foi feita e inspecionada. Não é uma propriedade do grau do aço: uma ligação feita em aço de 250 MPa e a mesma ligação feita em aço de 690 MPa ficam sobre a mesma curva de fadiga. E não é a tensão nominal: a tensão nominal é o que você calcula a partir da barra e da carga, enquanto a categoria é o multiplicador que diz quão danosa aquela tensão é nesta ligação específica.

Por que uma classificação, afinal? Porque uma trinca de fadiga não parte da tensão média da seção transversal. Ela começa numa minúscula descontinuidade geométrica, quase sempre no pé de uma solda, onde a tensão localmente dispara muito acima do valor nominal. Toda ligação soldada tem esse pico, mas alguns são bem mais agudos que outros. Em vez de pedir a cada engenheiro que calcule esse pico local, as normas fizeram o trabalho uma vez, ensaiaram centenas de detalhes representativos até a ruptura, e os separaram em categorias. A categoria já carrega a concentração. É por isso que, como veremos, você verifica a fadiga contra a tensão nominal e não contra o pico local.

Assim, uma viga laminada lisa, sem apêndices, é uma categoria muito alta. Solde uma chapa à sua mesa e você introduziu uma nova descontinuidade, mais aguda, e a categoria cai. O resto deste guia é exatamente sobre o quanto ela cai, e por que a mesma solda pode cair em duas categorias diferentes.

A categoria é um nome. Para transformá-la numa faixa de tensão admissível, você usa a curva S-N, também chamada de curva de Wöhler, em homenagem ao engenheiro que a traçou pela primeira vez na década de 1860. Nesse gráfico, o eixo vertical é a faixa de tensão aplicada ao detalhe, e o eixo horizontal é o número de ciclos que o detalhe sobrevive antes de trincar, ambos em escala logarítmica. Ensaie um detalhe numa faixa de tensão alta e ele rompe após poucos ciclos; ensaie numa faixa baixa e ele dura muito. Ligue esses pontos e você obtém uma reta descendente.

Cada categoria é uma dessas retas. O AISC 360-16, Apêndice 3, escreve a reta como uma lei simples:

F_SR = (C_f / N)^1/3

Aqui F_SR é a faixa de tensão admissível, N é o número de ciclos, e C_f é uma constante que nomeia a categoria. Uma categoria melhor significa um C_f maior, o que eleva toda a reta, de modo que, no mesmo número de ciclos, ela permite uma faixa de tensão maior. Inverta a equação e você obtém a vida diretamente:

N = C_f / Δσ³

Leia esse cubo com atenção, porque é aí que mora o drama. A vida escala com o cubo da faixa de tensão. Reduza a faixa à metade e a vida sobe oito vezes. E como as categorias diferem apenas pelo seu C_f, a razão entre duas vidas na mesma tensão é simplesmente a razão entre os dois valores de C_f. Esse único fato produz a manchete deste artigo mais adiante.

Mais uma característica fecha a curva na extremidade direita. Toda categoria tem um piso horizontal chamado limite de fadiga de amplitude constante, escrito F_TH. Se a faixa de tensão aplicada permanece abaixo desse limite, a reta descendente para de descer: o detalhe tem, na prática, vida infinita e nenhuma verificação de fadiga é necessária. É por isso que o mesmo detalhe pode ser finito numa tensão e imortal numa tensão ligeiramente menor. O limite é uma reta real no gráfico, e cruzá-lo é uma mudança em degrau, não gradual.

Uma nota sobre a constante C_f: a Tabela A-3.1 do AISC imprime literalmente números pequenos como 4,4 ou 1,1, porque a equação impressa carrega um fator de 1000. Reescritos de forma limpa, esses são valores de C_f de 44×10⁸ e 11×10⁸. As duas formas são algebricamente idênticas; ao longo deste guia usamos a forma ×10⁸ para que a aritmética confira à mão.

Para manter todo o artigo honesto, ancoramos cada categoria a um resultado real do motor de elementos finitos da CalcSteel. O modelo é deliberadamente simples: uma viga biapoiada, vão L = 8,0 m, perfil laminado IPE 360. No meio do vão fica uma carga de serviço repetida, pense num guincho suspenso ou num equipamento cuja reação cai sobre esta viga. A cada ciclo de operação a carga sobe de cerca de zero até P = 40 kN e volta a zero.

O motor retorna um momento máximo de M_max = 80,0 kN·m, e uma reação à esquerda de 20,0 kN, que é exatamente P/2. Ambos batem com a forma fechada até o dígito: para uma carga concentrada central, PL/4 = 40 × 8 / 4 = 80,0 kN·m. Quando a máquina reproduz o valor de mão exatamente, você sabe que o modelo está limpo e que o número que você leva adiante é confiável.

Em seguida precisamos da propriedade da seção que transforma momento em tensão. O motor informa o módulo de resistência elástico da IPE 360 como S_x = 873,77 cm³. A tensão de flexão na fibra extrema da mesa é M dividido por esse módulo.

Agora a jogada-chave. A fadiga não se importa com a tensão de pico, ela se importa com a faixa de tensão, ou seja, a variação da menor à maior tensão num ciclo. Como nossa carga cicla de 0 até P e de volta a 0, a tensão na mesa varia de 0 até a tensão de flexão plena e de volta. Logo, a faixa de tensão nominal é a tensão de flexão plena:

Δσ = M_max / S_x = 80,0 kN·m / 873,77 cm³ = 91,6 MPa

Guarde esse número. É uma tensão nominal: a tensão de flexão comum que você calcularia em qualquer primeiro curso, sem nenhum fator de concentração de tensão aplicado a ela, porque a categoria de detalhe carregará a concentração por nós. E é a mesma 91,6 MPa para toda categoria que estamos prestes a testar. Não estamos mudando a viga, a carga ou a tensão. Mudamos apenas qual detalhe está soldado à mesa, e observamos a vida se mover.

Aqui está a parte que surpreende as pessoas na primeira vez que a encontram. Tome uma solda de filete fixando uma chapa, uma chapa de ligação ou um enrijecedor à mesa tracionada da nossa viga. O metal de solda é o mesmo, a garganta é a mesma, a viga é a mesma, e a faixa de tensão nominal é a mesma 91,6 MPa que calculamos. Ainda assim, a categoria de fadiga, e portanto a vida à fadiga, não está fixada até você saber mais uma coisa: qual o comprimento da chapa fixada.

Na Tabela A-3.1 do AISC 360-16, um apêndice soldado carregado na direção da tensão aplicada é classificado por dois comprimentos. O primeiro é a, o comprimento do apêndice medido paralelo à direção da tensão (o quanto a chapa se estende ao longo da mesa). O segundo é b, a espessura desse apêndice. Quanto mais longa a chapa corre ao lado da mesa, mais abruptamente a tensão tem de fluir ao redor da sua extremidade soldada, e mais a categoria cai.

Os pontos de corte exatos:

• a < 50 mm (2 pol): Categoria C.
• 50 mm ≤ a ≤ o menor entre 12b ou 100 mm (4 pol): Categoria D.
• a maior que o menor entre (12b, 100 mm), com apêndice fino b ≤ 20 mm (0,8 pol): Categoria E.
• a > 100 mm (4 pol), com apêndice espesso b > 20 mm (0,8 pol): Categoria E', o mais severo dos casos de apêndice soldado.

Então imagine duas vigas no chão de fábrica. Na primeira, alguém solda um clipe de 40 mm de comprimento à mesa tracionada: a = 40 mm está abaixo de 50 mm, logo é Categoria C. Na segunda, alguém solda uma chapa de 150 mm de comprimento exatamente na mesma posição, com a mesma solda de filete: a = 150 mm passou do limite, logo é Categoria E. Metal de solda idêntico, garganta idêntica, viga idêntica, tensão nominal idêntica de 91,6 MPa. A única coisa que mudou foi o comprimento da chapa que você soldou. Essa única escolha geométrica, feita sem pensar duas vezes na prancheta, está prestes a virar um fator de quatro na vida à fadiga.

Agora insira a única faixa de tensão nominal, Δσ = 91,6 MPa, na lei S-N N = C_f / Δσ³ para cada uma dessas duas categorias.

• Categoria C (C_f = 44×10⁸): vida N = 1.879.000 ciclos.
• Categoria E (C_f = 11×10⁸): vida N = 469.759 ciclos.

Isso é uma razão de exatamente 4,0. Não é coincidência e não é aproximação: como ambos os detalhes veem a mesma faixa de tensão, o termo cúbico se cancela, e a razão entre as vidas é apenas a razão entre as duas constantes de categoria, 44 / 11 = 4,0. A chapa curta de 40 mm compra quase 1,9 milhão de ciclos; a chapa longa de 150 mm gasta a maior parte disso de volta e deixa você com menos de meio milhão. A mesma solda, quatro vezes a vida. Se o guincho roda algumas centenas de ciclos por dia, essa é a diferença entre um detalhe que sobrevive ao prédio e um que está trincando dentro de uns poucos anos.

A virada do limite: um regime mais severo. O fator de quatro é dramático, mas há um segundo efeito ainda mais absoluto, e ele aparece no instante em que sua faixa de tensão cai perto de um limite de categoria. Suponha que aliviemos um pouco a carga, ou passemos para uma seção ligeiramente mais alta, de modo que a faixa nominal caia para Δσ = 60 MPa.

Para a Categoria C, o limite de amplitude constante é F_TH = 69 MPa. Nossos 60 MPa estão agora abaixo desse limite, então o detalhe Categoria C tem vida infinita: sem trinca de fadiga, sem contagem finita, acabou. Para a Categoria E, o limite é de apenas 31 MPa, e 60 MPa ainda está bem acima dele, então o detalhe Categoria E está firmemente no regime finito: N = C_f / Δσ³ = 1.669.000 ciclos.

Leia de novo. Mesma solda, mesma viga, mesma faixa de tensão de 60 MPa. Um detalhe dura para sempre. O outro trinca em 1,67 milhão de ciclos. Não há troca suave aqui, nenhuma penalidade percentual que você possa absorver: cruzar um limite transforma uma ligação de vida infinita numa de vida finita. Essa é a "vida diferente" do título tornada absoluta, e é por isso que a decisão de classificação importa tanto quanto o cálculo de tensão que a alimenta.

Toda a história acima depende de um número que você pode calcular para a sua própria viga: a faixa de tensão nominal Δσ. Tudo depois disso é consulta de tabela. Então, antes de deixar esta página, monte o seu caso e leia o momento direto do motor.

A calculadora de viga ao vivo abaixo monta bem aqui. Use-a para definir seu vão, posicionar a carga repetida onde ela de fato fica (meio do vão, posição de uma roda, reação de um equipamento), e ler o momento máximo que a viga vê. No nosso exemplo trabalhado, esse momento foi M_max = 80,0 kN·m num vão de 8,0 m com 40 kN no meio do vão, que o motor de elementos finitos da CalcSteel bateu com a forma fechada PL/4 até o dígito.

A partir daí, a faixa de tensão nominal é uma única divisão. Tome o momento, divida pelo módulo de resistência elástico da sua seção, e (como a carga cicla de cerca de zero até o pico e de volta) essa tensão de flexão é a sua faixa de tensão:

Δσ = M_max / S_x. Para a IPE 360, com S_x = 873,77 cm³, isso deu 80,0 kN·m / 873,77 cm³ = 91,6 MPa. Leve a sua própria Δσ para a tabela de categorias da próxima seção, escolha a linha que corresponde ao seu detalhe, e você tem a vida à fadiga.

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Aqui está toda categoria de detalhe de fadiga do AISC numa única escada, verificada contra a única faixa de tensão nominal da nossa viga trabalhada, Δσ = 91,6 MPa. Leia de cima para baixo e você está vendo a vida à fadiga cair de infinita para 167.000 ciclos, sem que o aço, a seção ou a tensão jamais mudem. Só o detalhe muda.

A coluna de admissível é a faixa de tensão que cada categoria permite na vida de referência de 2 milhões de ciclos, direto do AISC 360-16 Apêndice 3, Tabela A-3.1. A coluna de vida é o que o nosso detalhe de fato obtém a 91,6 MPa, por N = C_f / Δσ³. Onde 91,6 MPa fica abaixo do limite de categoria F_TH, a vida é infinita e nenhuma verificação de fadiga é necessária.

Duas coisas merecem uma pausa. Primeiro, os valores de C_f são impressos na Tabela A-3.1 como 250, 120, 61, 44, 22, 11 e 3,9 uma vez que você os reescreve na forma × 10⁸. A equação da norma carrega um fator de 1000, então a tabela imprime literalmente 25, 12, 6,1, 4,4, 2,2, 1,1 e 0,39, que são algebricamente os mesmos números. De um jeito ou de outro, é a razão entre categorias que comanda a vida.

Segundo, olhe as duas colunas à direita do centro juntas. As faixas de tensão admissíveis do AISC a 2 milhões de ciclos se alinham quase um-a-um com as categorias de detalhe do Eurocode EN 1993-1-9, que são nomeadas diretamente pela faixa de referência Δσ_c a 2M em MPa: 125 é categoria B, 100 é B', 90 é C, 71 é D, 56 é E e 40 é E'. As letras e os números são dois rótulos para a mesma escada S-N, e a ABNT NBR 8800 do Brasil usa o mesmo arcabouço alinhado ao AISC. Aprenda um e você lê os três.

Para transformar qualquer um deles numa vida para a sua própria viga, você só precisa da sua própria faixa de tensão nominal. Monte o vão na calculadora de viga gratuita, leia o momento, divida pelo módulo de resistência da seção, e jogue o resultado nesta tabela.

A categoria não é entregue a você pelo destino. Ela é definida por decisões que o projetista e o fabricante tomam, e a maioria delas é gratuita ou quase. Aqui estão as alavancas que movem um detalhe para cima ou para baixo na escada:

• A direção da tensão em relação ao eixo da solda. Uma solda carregada ao longo do seu comprimento é bem mais gentil que a mesma solda com a tensão atravessando-a. Os detalhes são classificados por como a tensão flutuante corre pela ligação, não pelo tamanho da solda.
• Como a solda termina, e se ela contorna. Uma solda que para abruptamente numa extremidade aguda deixa o pior concentrador de tensão possível exatamente onde a trinca quer começar. Contornar a solda ao redor da extremidade, ou fazer o retorno, suaviza esse término.
• Esmerilhar o pé da solda ou o reforço até ficar liso. A trinca começa no pé. Esmerilhar o pé ou o reforço rente, no sentido da tensão, remove a geometria aguda e eleva a categoria, às vezes um degrau inteiro.
• Remover cordões de apoio (backing bars). Um cordão de apoio deixado no lugar cria uma fresta embutida na raiz, um iniciador de trinca ideal. Removê-lo e, onde exigido, goivar e resoldar a raiz eleva o detalhe.
• O comprimento do apêndice. Como o ponto central deste artigo mostrou, um apêndice de 40 mm é Categoria C e um apêndice de 150 mm na mesma mesa é Categoria E. Apêndices paralelos mais longos concentram a tensão com mais força, então mantenha os apêndices soldados curtos onde puder.
• Manter soldas fora da mesa tracionada. A mesa tracionada carrega a maior faixa de tensão na flexão, então qualquer apêndice soldado ali é verificado na maior Δσ. Mova apêndices dispensáveis para a alma ou para uma zona de baixa tensão e a mesma categoria de detalhe compra muito mais vida.
• O nível de inspeção. Algumas categorias altas só estão disponíveis se a solda for comprovada por ensaio radiográfico ou ultrassônico. Sem essa inspeção, a norma não deixa você reivindicar a reta melhor.

A ilustração mais clara é uma solda de entalhe de penetração total (CJP) transversal, uma solda de topo de espessura plena com a tensão atravessando-a. Se seu reforço for esmerilhado essencialmente paralelo à tensão e a solda for inspecionada por RT ou UT, ela é Categoria B, admissível de 125 MPa a 2 milhões de ciclos. Deixe a mesmíssima ligação como soldada, reforço não removido, e ela cai para Categoria C, 89,7 MPa. Metal de solda idêntico, geometria de ligação idêntica: o esmeril e a radiografia a movem uma categoria. Na nossa faixa nominal de 91,6 MPa, essa uma categoria é a diferença entre vida infinita como detalhe Categoria B e 1.879.000 ciclos como detalhe Categoria C. Uma operação de acabamento, não um reprojeto, compra vida ilimitada.

A admissível da Categoria C a 2 milhões de ciclos é 89,7 MPa (13,0 ksi). Para um aço comum com escoamento em torno de 345 MPa, isso é aproximadamente um quarto do escoamento. Parece alarmantemente baixo até você ver contra o que o número protege. A resistência estática pergunta se a seção transversal inteira consegue carregar a carga uma vez. A fadiga pergunta algo mais estreito e mais cruel: se uma trinca microscópica vai começar num concentrador de tensão e crescer, ciclo a ciclo, até se propagar. Essas trincas começam na concentração de tensão no pé da solda, onde a tensão de pico local é várias vezes o valor nominal mesmo com a barra, como um todo, longe do escoamento.

A categoria de detalhe é, na prática, uma classificação de quão severa é essa concentração local. Como a categoria já carrega a concentração, a verificação de fadiga é feita sobre a faixa de tensão nominal, a tensão de flexão simples M sobre S, não sobre o pico local. É por isso que a admissível tem de ficar tão abaixo do escoamento: ela está fazendo o trabalho do fator de concentração de tensão por você, para que você nunca calcule o pico de tensão sozinho. Alimente-a com a faixa nominal e a categoria já contabilizou a geometria.

Dois fatos do Comentário do AISC decorrem disso, e ambos surpreendem as pessoas na primeira vez:

• A resistência à fadiga é essencialmente independente do grau do aço. Ao longo de resistências ao escoamento de cerca de 250 a 690 MPa, um dado detalhe tem a mesma vida à fadiga. Aço de grau mais alto compra mais resistência estática, não mais vida à fadiga. Se a fadiga governa, especificar um aço mais forte não muda nada, você tem de mudar o detalhe.
• Só a faixa de tensão importa, não a média, a mínima ou a máxima. Um ciclo de 10 a 100 MPa e um ciclo de menos 40 a mais 50 MPa causam o mesmo dano, porque compartilham a mesma faixa de 90 MPa. A razão é a tensão residual: detalhes soldados travam tensão residual de tração próxima ao escoamento, então não importa onde o ciclo aplicado nominalmente se situe, o metal no pé da solda já está puxado próximo ao escoamento e toda a faixa aplicada é danosa. É exatamente por isso que a nossa carga que varia de 0 a 40 kN e volta dá uma faixa de tensão plena de 91,6 MPa, e por que essa faixa, não qualquer pico ou média, é o número contra o qual a escada inteira é verificada.

Então a admissível baixa não é conservadorismo por si só. É o preço honesto de soldar numa barra que será ciclada milhões de vezes, e a forma de pagar menos disso é escolher um detalhe melhor, não um aço mais forte.

Três famílias de normas descrevem a mesma física com uma contabilidade ligeiramente diferente. Se você sabe ler uma, sabe ler as outras, porque todas repousam sobre a mesma lei S-N e a mesma ideia de categoria de detalhe.

AISC 360-16, Apêndice 3, Tabela A-3.1. Esta é a referência usada em todo este post. Cada detalhe recebe uma categoria de A até E', e cada categoria carrega uma constante Cf e um limite de fadiga de amplitude constante FTH. A faixa de tensão admissível é FSR = (Cf / N)^(1/3), nunca tomada abaixo de FTH. Abaixo do limite, a vida é tratada como infinita e nenhuma verificação de fadiga é necessária. Como a equação da norma carrega um fator de 1000, a tabela imprime literalmente os valores de Cf como 25, 12, 6,1, 4,4, 2,2, 1,1 e 0,39; reescritos como as constantes simples, eles são 250, 120, 61, 44, 22, 11 e 3,9 vezes 10^8, que é o que usamos para calcular cada vida neste post. A dois milhões de ciclos essas categorias permitem 160, 125, 100, 89,7, 71,2, 56,5 e 40 MPa (23,2, 18,2, 14,5, 13,0, 10,3, 8,2 e 5,8 ksi).

Uma advertência sobre trincas de raiz. A Tabela A-3.1 também lista um par de casos, C' e C'', que descrevem o trincamento a partir da raiz da solda em vez do pé. Eles compartilham a constante da Categoria C, Cf = 44 vezes 10^8, mas seu limite é listado como "Nenhum". Um detalhe sem limite não pode receber vida infinita em nenhuma faixa de tensão, então uma ligação que pode romper a partir da raiz precisa sempre ser verificada como vida finita. Mantenha esses fora da sua escada principal, mas lembre que existem quando o caminho de carga corre pela garganta da solda.

Eurocode EN 1993-1-9. A norma europeia nomeia suas categorias de detalhe pela faixa de tensão de referência a dois milhões de ciclos, em MPa: 160, 140, 125, 112, 100, 90, 80, 71, 63, 56, 50, 45, 40, 36 e assim por diante. Sua curva S-N é uma inclinação de m = 3 até o limite de amplitude constante em cinco milhões de ciclos, depois uma inclinação mais suave de m = 5, depois um corte em 10^8 ciclos. Os números mapeiam quase um a um no AISC: 125 se alinha com B, 100 com B', 90 com C, 71 com D, 56 com E e 40 com E'. Mesma escada, rótulos diferentes.

ABNT NBR 8800 (Brasil). A norma brasileira de aço carrega o mesmo arcabouço de categoria de detalhe e S-N, alinhado ao AISC. Se você já trabalhou a tabela do AISC, a tabela da NBR vai parecer familiar até a letra.

O recado prático: escolha uma norma para um dado projeto e permaneça nela, mas não se surpreenda quando uma "Categoria 90" do Eurocode e uma "Categoria C" do AISC lhe derem a mesma vida. São duas grafias do mesmo detalhe.

A maioria dos erros de fadiga não são erros de aritmética. São erros de classificação, cometidos antes de qualquer número ser inserido. Aqui está a checklist curta que rodamos antes de confiar num resultado de fadiga.

• Não recorra a um grau de aço mais alto para consertar a fadiga. O Comentário do AISC é explícito em que a resistência à fadiga de um dado detalhe é essencialmente independente da resistência ao escoamento de 250 a 690 MPa. Aço de grau mais alto compra resistência estática, não vida à fadiga. A trinca não sabe através de qual grau está crescendo.
• Use a faixa de tensão nominal, não o pico local. A categoria de detalhe já carrega a concentração de tensão no pé da solda. Se você a alimenta com uma tensão de hotspot de elementos finitos por cima disso, você conta a concentração duas vezes e a resposta não tem sentido. Verifique a mesma 91,6 MPa nominal que calculamos de M sobre Sx contra cada categoria.
• Só a faixa importa, não a média. Como detalhes soldados travam tensão residual de tração próxima ao escoamento, toda a faixa aplicada é danosa independentemente de onde ela se situe. Não gaste esforço perseguindo uma tensão mínima ou média favorável; calcule a faixa a partir da carga que cicla, de 0 a P a 0 na nossa viga, e pare.
• O metal base é uma categoria alta; o que você solda a ele é o problema. Uma viga laminada limpa é Categoria A ou B. Soldar uma chapa, chapa de ligação ou enrijecedor à sua mesa tracionada é o que a rebaixa para C, D, E ou E'. O rebaixamento viaja com o apêndice, não com a viga.
• Classifique pelo detalhe ilustrado, não pela palavra "filete". "É uma solda de filete" não é uma categoria. A mesma solda de filete é Categoria C num apêndice de 40 mm e Categoria E num apêndice de 150 mm. Corresponda a sua ligação ao desenho da Tabela A-3.1, incluindo o comprimento a paralelo à tensão e a espessura b.
• Fatores de impacto e dinâmicos são para resistência, não para a faixa de fadiga. Fatores de amplificação que inflam uma carga para uma verificação de resistência última não pertencem à faixa de tensão de fadiga. A fadiga usa a faixa de carga de serviço que de fato cicla.

Um grau de aço mais alto dá à minha ligação soldada uma vida à fadiga mais longa?

Não. Para um detalhe soldado, a vida à fadiga é definida pela categoria, e a categoria é essencialmente independente do grau ao longo da faixa comum dos aços estruturais. Trocar um escoamento de 345 MPa por um de 460 MPa não move a curva S-N. Se você precisa de mais vida, mude o detalhe, não o grau: encurte o apêndice, esmerilhe o pé, ou mova a solda para fora da mesa tracionada.

Devo usar a tensão de pico do meu modelo de elementos finitos na verificação de fadiga?

Não, não com o método de tensão nominal do Apêndice 3 do AISC. A categoria foi calibrada contra a tensão nominal justamente para que você não tivesse de modelar o pé da solda. Leia a faixa de tensão de flexão nominal, na nossa viga 91,6 MPa de 80,0 kN·m dividido por Sx = 873,77 cm³, e verifique isso contra a admissível da categoria. Existe um método separado de hotspot ou de mecânica da fratura, mas ele usa suas próprias curvas, não estas categorias.

Minha carga nunca reverte, ela só vai de zero para cima e volta. Ainda tenho uma faixa de fadiga?

Sim. A faixa é a máxima menos a mínima, e de 0 a P a 0 dá a você a tensão de flexão plena como faixa. É exatamente por isso que a nossa viga tem Δσ = 91,6 MPa e não algo menor: a tensão varia por todo o seu valor a cada ciclo. Uma carga não reversível ainda é uma carga cíclica.

Duas ligações no meu desenho parecem idênticas. Elas podem mesmo ter vidas diferentes?

Sim, e esse é o ponto central deste post. A mesma solda de filete na mesma mesa sob a mesma 91,6 MPa dura 1.879.000 ciclos como detalhe Categoria C e 469.759 ciclos como detalhe Categoria E, um fator de 4,0, decidido apenas por quão longa é a chapa fixada. Reduza a faixa para 60 MPa e o detalhe Categoria C dura para sempre enquanto o detalhe Categoria E ainda trinca em 1.669.000 ciclos. Metal de solda idêntico, garganta idêntica, vida diferente.

A fadiga no aço não é decidida pelo grau nem por quão abaixo do escoamento você está. É decidida pelo detalhe, e o detalhe é uma escolha que você faz no desenho.

• A categoria é o projeto. Uma categoria de detalhe de fadiga classifica a concentração local de tensão de uma ligação, define sua curva S-N por FSR = (Cf / N)^(1/3), e portanto fixa a faixa admissível e a vida. É uma propriedade do detalhe, não do aço e não da tensão nominal.
• Uma tensão nominal, muitas vidas. Nossa viga real no motor da CalcSteel, uma IPE 360 sobre 8,0 m com 40 kN repetidos no meio do vão, dá Mmax = 80,0 kN·m = PL/4 e Sx = 873,77 cm³, logo Δσ = 91,6 MPa. Toda categoria é verificada contra esse único número.
• A mesma solda, quatro vezes a vida. Um apêndice de 40 mm é Categoria C e dura 1.879.000 ciclos; um apêndice de 150 mm é Categoria E e dura 469.759 ciclos. Mesma solda, fator de 4,0, só pelo comprimento da chapa.
• O limite torna tudo absoluto. Reduza a faixa para 60 MPa e a Categoria C fica abaixo do seu limite de 69 MPa, então é vida infinita, enquanto a Categoria E ainda é finita em 1.669.000 ciclos. Para sempre contra 1,67 milhão de ciclos, da mesma solda.
• Você controla a categoria. Direção da tensão, comprimento do apêndice, esmerilhar o pé ou o reforço rente, nível de inspeção e manter soldas fora da mesa tracionada, tudo move um detalhe para cima ou para baixo na escada de A a E'. Uma solda de entalhe de penetração total transversal esmerilhada rente e radiografada é Categoria B; deixada como soldada é Categoria C.

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Para um exemplo trabalhado completo onde a fadiga de fato escolhe a barra, leia o post irmão Dimensionando uma viga de rolamento de ponte rolante: a verificação de fadiga que decide a seção. Este post classificou o detalhe; aquele dimensiona a viga uma vez que o detalhe é conhecido.