Resistência da Solda de Filete pela AISC 360

Uma solda de filete é uma solda de seção transversal triangular depositada no canto formado por duas superfícies que se encontram em aproximadamente 90°. É o tipo de solda mais comum em estruturas de aço — cerca de 80% de todas as soldas estruturais são soldas de filete.

As soldas de filete resistem a forças por cisalhamento na garganta da solda — a seção transversal mínima através da solda. Para uma solda de filete com pernas iguais de tamanho a, a dimensão da garganta efetiva é:

t_e = 0.707 × a

Isso vem da geometria de um triângulo retângulo a 45°: a menor distância da raiz até a face é a × cos(45°) = 0.707a.

A capacidade da solda depende de:

• A área da garganta (garganta × comprimento)
• A resistência do eletrodo (F_EXX)
• O ângulo de carregamento em relação ao eixo da solda

As soldas de filete são sempre consideradas como falhando por cisalhamento na garganta, independentemente da direção da carga. A AISC J2.4 fornece as equações de dimensionamento.

A resistência nominal de uma solda de filete por unidade de comprimento é:

R_nw = 0.60 × F_EXX × t_e × L

Onde:

• F_EXX = resistência de classificação do eletrodo (482 MPa para E70XX, o eletrodo estrutural padrão)
• t_e = garganta efetiva = 0.707 × a
• L = comprimento da solda
• φ = 0.75 (LRFD) ou Ω = 2.00 (ASD)

Capacidade por mm de comprimento de solda

Para uma solda de filete de 8 mm com E70XX, a capacidade de cálculo (LRFD) por mm de comprimento de solda é:

φr_nw = φ × 0.60 × F_EXX × (0.707 × a) = 0.75 × 0.60 × 482 × 0.707 × 8 = 1227 N/mm = 1.227 kN/mm.

A capacidade cresce linearmente com o tamanho da perna, portanto uma perna maior fornece proporcionalmente mais capacidade por mm de solda — o gráfico mostra φr_nw para os tamanhos de perna mais comuns.

Dica CalcSteel: o motor de ligações calcula automaticamente a capacidade da solda para cada grupo de solda, considerando o ângulo de carregamento e o aumento direcional de resistência.

A AISC J2.2b especifica tamanhos mínimos de solda de filete para evitar fissuração por resfriamento rápido de soldas finas sobre metal de base espesso:

O tamanho mínimo não precisa exceder a espessura da chapa mais fina unida.

Tamanho máximo da solda de filete

Ao longo de bordas de material com espessura inferior a 6 mm: tamanho da solda ≤ espessura do material. Ao longo de bordas de material com 6 mm ou mais: tamanho da solda ≤ espessura do material − 2 mm.

Isso garante que a solda não ultrapasse a borda da chapa, o que criaria uma concentração de tensões.

Comprimento mínimo da solda

O comprimento efetivo mínimo de uma solda de filete é 4 vezes o tamanho da perna (4a) ou 38 mm, o que for maior. Soldas mais curtas que isso não conseguem desenvolver a resistência plena da garganta devido a efeitos de início e parada.

Dimensionamento prático

Na prática, soldas de filete de 6 mm e 8 mm são os tamanhos mais comuns:

• 6 mm: o padrão para a maioria das ligações (oficina e campo)
• 8 mm: para ligações mais pesadas ou quando o cálculo exige mais capacidade
• 5 mm: mínimo para chapas com espessura superior a 6 mm
• 10 mm e acima: custosas para depositar (múltiplos passes necessários); considere usar soldas CJP (junta de penetração completa) em vez disso

A AISC J2.4 permite um aumento de resistência quando a carga atua transversalmente ao eixo da solda. Uma solda de filete carregada transversalmente é aproximadamente 50% mais resistente que uma carregada longitudinalmente, porque o plano de falha se desloca.

O fator direcional de resistência é:

f(θ) = (1.0 + 0.50 × sin^1.5(θ))

Onde θ é o ângulo entre a direção da carga e o eixo longitudinal da solda.

Quando usar o aumento direcional

O aumento direcional de resistência é opcional — você sempre pode usar o valor de referência (θ = 0°) para um dimensionamento conservador. Use o aumento quando:

• A ligação está apertada em capacidade de solda e adicionar comprimento é difícil
• Todas as soldas do grupo são carregadas no mesmo ângulo (por exemplo, um par de soldas de filete transversais em uma chapa de cisalhamento)

NÃO use o aumento para grupos de solda com orientações mistas sem também verificar o centro instantâneo de rotação do grupo de solda (método ICR).

Grupos de solda com orientação mista

Para um padrão de solda em L ou em C (soldas longitudinais + transversais), a AISC permite duas abordagens:

1. Usar a resistência de referência (sem aumento direcional) para todas as soldas — simples e conservador
2. Usar o método ICR, que considera a compatibilidade de deformações entre soldas carregadas em ângulos diferentes

A aplicação mais comum de soldas de filete é em ligações de cisalhamento — chapas de cisalhamento, cantoneiras de ligação e chapas de extremidade soldadas a vigas ou pilares. Essas juntas soldadas são uma alternativa direta às ligações parafusadas, e a escolha entre elas segue a mesma lógica de optar por uma ligação de cisalhamento ou de momento. Antes de dimensionar a solda você precisa da força de cálculo — encontre a reação fatorada da viga com nossa calculadora gratuita (sem cadastro).

Exemplo — Chapa de cisalhamento soldada à mesa do pilar

Dados:

• Reação da viga: V_u = 180 kN (fatorado)
• Chapa de cisalhamento: 10 mm de espessura, 250 mm de comprimento, aço A36
• Pilar: W310×97, aço A992
• Solda: eletrodo E70XX

Etapa 1 — Tamanho de solda necessário

A chapa é soldada à mesa do pilar com soldas de filete em ambos os lados. Comprimento total de solda = 2 × 250 = 500 mm.

Capacidade de solda necessária por mm: q = V_u / L_total = 180 / 500 = 0.36 kN/mm

Da tabela de capacidade:

• Filete de 5 mm: 0.767 kN/mm > 0.36 ✓

Usar soldas de filete de 5 mm.

Etapa 2 — Verificar tamanho mínimo

Espessura da mesa do pilar (W310×97): t_f = 22.1 mm → solda mínima = 6 mm (pela tabela AISC) Espessura da chapa de cisalhamento: 10 mm → solda mínima = 5 mm

Mínimo governante: 6 mm (controlado pela espessura da mesa do pilar).

Portanto, usar soldas de filete de 6 mm, que fornecem 0.920 kN/mm × 500 mm = 460 kN >> 180 kN ✓

Etapa 3 — Verificar retornos de solda

Para soldas que terminam nas extremidades da chapa de cisalhamento, fornecer um retorno de solda de pelo menos 2 vezes o tamanho da solda (2 × 6 = 12 mm) ao redor do canto. Isso evita concentração de tensões na extremidade da solda.

Quando a carga não passa pelo centroide do grupo de solda, as soldas experimentam tanto cisalhamento direto quanto cisalhamento torcional. O exemplo clássico é uma mão-francesa soldada a um pilar.

Método elástico (simplificado)

1. Encontrar o centroide do grupo de solda (tratar as soldas como elementos lineares)
2. Cisalhamento direto: q_v = P / L_total (distribuído igualmente para todas as soldas)
3. Cisalhamento torcional: q_t = (P × e × r_i) / J_w, onde e é a excentricidade, r_i é a distância de cada elemento de solda ao centroide, e J_w é o momento polar de inércia do grupo de solda
4. Combinar vetorialmente: q_total = √(q_v² + q_t² + 2q_v × q_t × cos α), onde α é o ângulo entre as componentes direta e torcional
5. Verificar: q_total ≤ φ × r_nw

Método do Centro Instantâneo de Rotação (ICR)

As Tabelas 8-4 a 8-11 do Manual AISC fornecem o coeficiente C para padrões comuns de solda. A resistência de cálculo é:

φR_n = C × C₁ × D × L

Onde C é obtido da tabela (depende da relação l/a e do ângulo de excentricidade), C₁ ajusta para o tipo de eletrodo (1.0 para E70XX), D é o número de dezesseis avos no tamanho da solda, e L é o comprimento da solda.

O método ICR é mais preciso que o método elástico porque considera a deformação não uniforme das soldas no grupo.

1. Usar a garganta errada para soldas de pernas desiguais

Para uma solda de filete com pernas desiguais (por exemplo, pernas de 8×12 mm), a garganta NÃO é 0.707 × média. É a menor distância da raiz até a face da solda, que depende das dimensões reais das pernas e do perfil da raiz. Para soldas padrão de pernas iguais, 0.707a está correto.

2. Ignorar o acesso para soldagem

Uma solda projetada no papel pode ser impossível de executar em campo se o soldador não conseguir acessar a junta. Problemas comuns: soldas dentro de seções HSS fechadas, soldas atrás de outros elementos, soldas que exigem posição sobre-cabeça em locais difíceis.

3. Especificar soldas superdimensionadas

Uma solda de filete de 12 mm requer múltiplos passes e é cara para depositar. Dois passes de filete de 6 mm em cada lado frequentemente fornecem mais capacidade total a menor custo do que uma solda pesada em um lado só.

4. Não verificar o metal de base

A resistência da solda pode exceder a resistência do metal de base. A AISC J2.4 exige verificar que o metal de base também pode resistir às forças da solda: φR_n = φ × 0.60 × F_y × t × L para cisalhamento no metal de base.

5. Esquecer o atraso de cisalhamento em ligações de tração soldadas

Quando um elemento é soldado por apenas parte de seus componentes (por exemplo, apenas uma aba de uma cantoneira), o fator de atraso de cisalhamento U reduz a área efetiva. Esta é uma verificação de seção líquida, não de solda, mas frequentemente governa.

6. Especificar E70XX quando E80XX ou superior é necessário

Para aços de alta resistência (F_y > 345 MPa), o metal de adição deve igualar ou exceder a resistência do metal de base. E70XX é adequado para A36 e A992, mas não para A913 Grau 65 ou superior.

O motor de ligações do CalcSteel trata o dimensionamento de soldas de filete como parte de cada ligação — de chapas de cisalhamento de vigas a chapas de base de pilares:

Dimensionamento da solda

O motor determina o tamanho de solda necessário com base nas forças solicitantes na ligação. Ele verifica:

• Tamanho mínimo da solda conforme Tabela J2.4 da AISC
• Tamanho máximo da solda conforme espessura da chapa
• Capacidade necessária incluindo aumento direcional de resistência onde aplicável

Análise do grupo de solda

Para ligações excêntricas (mãos-francesas, chapas de extremidade com momento), o motor utiliza o método ICR para calcular com precisão a capacidade do grupo de solda. O centroide, o momento polar de inércia e o centro instantâneo são calculados automaticamente.

Verificação do metal de base

Tanto o metal de adição quanto o metal de base são verificados. Se o metal de base governa, o motor reporta o estado-limite controlador.

Saída

O detalhe da ligação mostra:

• Tipo de solda (filete, CJP, PJP)
• Tamanho da perna em mm
• Comprimento da solda
• Especificação do eletrodo (classe E)
• Índice de utilização

Todas as informações de solda são incluídas na exportação do detalhe da ligação, prontas para a preparação de desenhos de fabricação.