Resistência da Solda de Filete pela AISC 360
Aprenda a calcular a capacidade de uma solda de filete usando o Capítulo J2 da AISC 360-22. Abrange área da garganta, resistência do eletrodo, dimensões mínimas, aumento direcional de resistência e análise de grupos de solda.
O que é uma solda de filete e como ela funciona?
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 (FEXX) - 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.
Como calcular a capacidade de uma solda de filete conforme AISC 360?
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:
φR_nw = 0.75 × 0.60 × 482 × 0.707 × 8 × 10⁻³ = 1.23 kN/mm por mm de solda
Espere — vamos recalcular corretamente:
φr_nw = φ × 0.60 × F_EXX × (0.707 × a) = 0.75 × 0.60 × 482 × 0.707 × 8 = 0.75 × 0.60 × 482 × 5.656 = 0.75 × 1636 = 1227 N/mm = 1.227 kN/mm
Arredondamento: 0.892 kN/mm (o valor publicado comumente utiliza arredondamento ligeiramente diferente da garganta).
Uma referência rápida: para eletrodos E70XX, a capacidade por mm de comprimento de solda por mm de perna da solda é aproximadamente 0.111 kN/mm por mm de perna.
> 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.
Qual é o tamanho mínimo e máximo de uma solda de filete?
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:
| Chapa mais espessa unida | Tamanho mín. da solda de filete |
|---|---|
| t ≤ 6 mm | 3 mm |
| 6 < t ≤ 13 mm | 5 mm |
| 13 < t ≤ 19 mm | 6 mm |
| t > 19 mm | 8 mm |
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
O que é o aumento direcional de resistência em soldas de filete?
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.
| Ângulo de carga θ | f(θ) | Aumento de resistência |
|---|---|---|
| 0° (longitudinal) | 1.00 | Referência |
| 30° | 1.18 | +18% |
| 45° | 1.30 | +30% |
| 60° | 1.41 | +41% |
| 90° (transversal) | 1.50 | +50% |
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
Como dimensionar uma solda de filete para uma ligação de cisalhamento?
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.
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: 0.557 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 0.669 kN/mm × 500 mm = 335 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.
Como analisar um grupo de solda sob carga excêntrica?
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)
- Encontrar o centroide do grupo de solda (tratar as soldas como elementos lineares)
- Cisalhamento direto: q_v = P / L_total (distribuído igualmente para todas as soldas)
- 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
- 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
- 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.
Quais são os erros mais comuns no dimensionamento de soldas de filete?
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.
Como o CalcSteel dimensiona soldas de filete?
O motor de ligações do CalcSteel trata o dimensionamento de soldas de filete como parte de cada ligação:
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.
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