Solda versus parafuso: custo, capacidade e inspeção comparados numa mesma ligação

Pergunte a um detalhista se deve soldar ou parafusar uma ligação e você costuma receber uma resposta de cultura de fábrica: este fabricante solda tudo, aquele montador parafusa tudo. Os dois podem estar certos, porque a resposta honesta não é uma comparação, são três, e elas quase nunca concordam. Uma pergunta qual ligação carrega mais carga. Uma pergunta qual custa menos para executar. Uma pergunta qual custa mais para provar que está sã. Uma solda pode vencer a primeira, perder a segunda e mudar a terceira dependendo de onde o trabalho acontece.

O jeito mais limpo de ver as três de uma vez é parar de discutir em tese e dimensionar a mesma ligação dos dois modos. Então é isso que fazemos aqui: uma chapa, uma reação de cálculo, verificada uma vez com um grupo de parafusos e outra com um cordão de filete pela AISC 360, com a demanda tirada de uma análise real do CalcSteel em vez de suposta. Depois alinhamos as duas na capacidade, no custo e na inspeção, e deixamos os números dizerem onde cada uma se encaixa.

A demanda não é inventada. Uma viga biapoiada de 8 m de vão carrega uma carga uniforme de cálculo de 50 kN/m, e o motor do CalcSteel retorna uma reação de apoio de 200 kN, exatamente a forma fechada wL/2. Essa reação é o cisalhamento que a ligação de extremidade tem que entregar ao apoio, então V_u = 200 kN é o número que as duas fixações precisam superar.

O elemento de ligação é o mesmo nos dois projetos: uma chapa de 10 mm, 200 mm de altura, em aço A36 (F_y = 250 MPa, F_u = 400 MPa). No projeto parafusado a chapa é furada e parafusada ao apoio; no projeto soldado a mesma chapa é ligada a ele por cordões de filete ao longo de suas duas bordas verticais. Manter a chapa idêntica é o que torna a comparação justa: só a fixação muda.

Tome parafusos M20 A325 (Grupo A) em corte simples, com a rosca no plano de cisalhamento, a hipótese comum e conservadora. A Tabela J3.2 da AISC 360 dá uma tensão nominal de cisalhamento F_nv = 372 MPa (54 ksi), e a área do parafuso é A_b = πd²/4 = 314 mm². O cisalhamento nominal por parafuso é F_nvA_b, e com o fator de resistência φ = 0,75 a resistência de cálculo é φR_n = 87,7 kN por parafuso.

Dividindo a demanda por esse passo, 200 / 87,7 = 2,3, precisamos de 3 parafusos, dando um cisalhamento de cálculo do grupo de 3 × 87,7 = 263 kN, uma utilização de 76 por cento. O cisalhamento do parafuso governa a fixação aqui: o teto de pressão de contato e rasgamento da chapa é de 144 kN por parafuso, bem acima dos 87,7 kN, então os parafusos falham antes dos furos. Essas verificações da chapa ainda precisam ser feitas, e estão cobertas no guia de pressão de contato e rasgamento; elas são uma propriedade da chapa, não da escolha de parafusar.

Agora solde a mesma chapa ao apoio com um filete ao longo de cada uma de suas duas bordas verticais, um comprimento total de solda L_w = 400 mm. Com eletrodos E70XX (F_EXX = 483 MPa, 70 ksi) e a reação correndo paralela ao eixo do cordão, a resistência de cálculo por unidade de comprimento é φ(0,60 F_EXX)(0,707 w), onde w é a perna do filete. Resolvendo para a demanda, a ligação precisa de uma perna de apenas 3,2 mm.

Aqui está o detalhe que as tabelas escondem: você não pode usá-la. A Tabela J2.4 da AISC 360 fixa um filete mínimo de 5 mm para uma chapa de 10 mm, ditado pela taxa de resfriamento, não pela demanda, então o piso da norma governa. Um filete de 5 mm ao longo de 400 mm entrega 307 kN, uma utilização de 65 por cento, e você ganha essa capacidade de graça. A perna máxima numa borda de 10 mm seria de 8 mm, e o metal base (ruptura por cisalhamento da chapa ao longo dos cordões, 720 kN) nunca governa. Veja o guia de resistência da solda de filete para o acréscimo de resistência direcional quando a carga corre atravessando o cordão em vez de ao longo dele.

Alinhe os dois projetos e a surpresa é o quão pouco os separa: 263 kN parafusado, 307 kN soldado, ambos superando os 200 kN de demanda com folga. Nesta ligação comum, a capacidade não é o critério de desempate. Qualquer uma das fixações funciona, e escolher só pela resistência seria escolher pelo ruído.

A capacidade começa a decidir nos extremos. Quando a demanda sobe e a chapa é grossa, uma solda continua compacta onde um grupo de parafusos precisaria de muitas fileiras e uma chapa mais longa, então a solda vence na geometria. Quando o material é fino, revestido ou de acesso difícil para o eletrodo, os parafusos vencem. Mas para o grande meio-termo das ligações de cisalhamento do dia a dia, as duas caem no mesmo lugar, que é exatamente por que a decisão real se desloca para as duas colunas seguintes.

As duas fixações não constroem capacidade do mesmo jeito. Parafusos vêm em passos discretos: 87,7 kN, 87,7 × 2, 87,7 × 3, e assim por diante. Você não pode comprar 2,3 parafusos, então arredonda para 3 e ultrapassa a demanda. Soldas são um dial contínuo: perna e comprimento se trocam entre si suavemente, então em princípio você ajusta a solda à carga.

Na prática a solda tem seu próprio piso. A perna de 3,2 mm que a demanda pede fica abaixo do filete mínimo de 5 mm, então o dial fica travado na ponta baixa e a ligação é superdimensionada pela norma, não por você. A lição vale nos dois sentidos: numa ligação pouco carregada o filete mínimo torna a solda barata e forte por padrão, enquanto uma ligação muito carregada premia o crescimento suave da solda, já que uma perna maior ou um cordão mais longo somam capacidade sem somar um único furo ou parafuso.

É tentador achar que escolher a fixação resolve a ligação. Não resolve. Pressão de contato, rasgamento, cisalhamento de bloco e ruptura da seção líquida são estados-limite da chapa, e a chapa é comum aos dois projetos. Parafuse a chapa e você ainda verifica a pressão de contato em cada furo e o cisalhamento de bloco através do grupo de parafusos. Solde a chapa e os furos somem, mas o escoamento por cisalhamento bruto e a ruptura por cisalhamento da chapa, e a resistência do metal base na linha de fusão, seguem na lista.

Então trocar parafusos por solda desloca o elo mais fraco, não apaga a corrente. As verificações de detalhe vivem em seus próprios guias: pressão de contato e rasgamento do parafuso, cisalhamento de bloco e seção líquida versus bruta, e efeito alavanca quando a ligação carrega tração em vez de cisalhamento puro. O ponto para esta comparação é apenas que as verificações do elemento são um custo compartilhado, pago qualquer que seja a fixação escolhida.

O custo, não a resistência, é o que costuma decidir, e ele não é um número único, ele se inverte com onde o trabalho acontece. Na fábrica uma solda é barata: a peça é fixada plana, o processo pode ser semi ou totalmente automatizado, e não há padrão de furação para coordenar entre duas partes. No campo o equilíbrio se inverte. Um parafuso entra com uma chave em minutos, por uma equipe que não precisa de certificação de soldagem, fonte de energia, gás de proteção, preparo de borda ou uma tenda contra vento e chuva.

Essa é a velha regra do fabricante com um motivo por trás: solde na fábrica, parafuse no campo. A soldagem em campo é o canto caro da matriz, e é cara antes de qualquer inspeção acontecer, por causa do acesso, da posição, do clima e da mão de obra certificada que exige. Do lado do material a diferença é menor e aponta para o outro lado: parafusos somam ferragem que você compra por caixa, soldas somam consumíveis e energia, então por ligação a ferragem de fixação raramente é o que inclina a decisão. Mão de obra e local são.

A terceira comparação é a que os orçamentos esquecem. Um parafuso com aperto normal, que é tudo o que uma ligação de cisalhamento típica precisa, é verificado por inspeção visual: as chapas estão em contato firme e a porca está no lugar. Um parafuso protendido ou por deslizamento crítico precisa de um método de instalação verificado, giro da porca, arruelas indicadoras de tração direta, parafusos de ponta destacável ou uma chave calibrada, conforme a Especificação RCSC e o Capítulo N da AISC 360. De um jeito ou de outro a evidência está na superfície, barata de ver e barata de repetir.

Uma solda é outra conta. Toda solda recebe uma inspeção visual certificada pela AWS D1.1, e além disso a categoria de demanda pede ensaios não destrutivos: partículas magnéticas ou líquido penetrante para falhas de superfície, ultrassom ou radiografia para soldas de penetração total em chanfro. Isso significa um inspetor qualificado, mais tempo, sensibilidade ao clima e ao acesso, e defeitos que podem se esconder dentro do metal onde só o ensaio não destrutivo encontra. A ligação que foi a mais barata de soldar na fábrica pode virar a mais cara de comprovar, e esse custo é real mesmo que nunca apareça no desenho de montagem.

Junte as três colunas e uma regra prática aparece. Recorra a parafusos quando:

• o trabalho é no campo e a velocidade de montagem importa;
• a ligação pode ser desmontada depois (obras temporárias, montagem por fases, ampliação futura);
• trabalho a quente é um risco, perto de galvanização, revestimentos ou conteúdos inflamáveis;
• o material é fino ou revestido e você quer evitar distorção e perfuração por queima.

Recorra a soldas quando:

• o trabalho é na fábrica, onde a soldagem é mais barata e melhor controlada;
• a ligação precisa ser compacta ou rígida, uma ligação de momento, um enrijecedor, um perfil composto sem espaço para um grupo de parafusos;
• o acesso ao parafuso é ruim ou se quer uma aparência limpa, sem furos.

Duas nuances sobrepõem a regra. Sob fadiga, as soldas introduzem concentrações de tensão e exigem detalhamento cuidadoso, enquanto um parafuso por deslizamento crítico bem protendido pode ser a escolha mais calma. E nunca compartilhe um mesmo caminho de carga entre parafusos e soldas: eles têm rigidezes muito diferentes, então não puxam carga na proporção de sua resistência, e um chega primeiro. Deixe cada elemento todo parafusado ou todo soldado.

O lado do parafuso na comparação esconde uma segunda decisão: quanto protender. Aperto normal e deslizamento crítico não são o mesmo parafuso, e a protensão alvo define tanto a força de aperto quanto o método de instalação que um inspetor depois vai verificar. Use a calculadora abaixo para ver como a classe e o diâmetro do parafuso guiam a protensão e o torque de aperto, e depois mapeie isso de volta na coluna de inspeção acima: quanto mais protensão a ligação depende, mais a instalação precisa ser comprovada.

A ligação resolvida está na AISC 360, mas a comparação independe da norma, só a notação muda. Na EN 1993-1-8 um parafuso em cisalhamento é F_v,Rd = α_v f_ub A / γ_M2, a mesma ideia F_nvA_b com a segurança carregada por um fator parcial em vez de φ. Um cordão de filete usa o método direcional ou o simplificado, com uma resistência de cálculo ao cisalhamento f_vw,d = f_u / (√3 β_w γ_M2), e o fator de correlação β_w faz o papel da compatibilidade do eletrodo.

A ABNT NBR 8800 segue o mesmo formato tipo LRFD da AISC, com fatores de resistência no cisalhamento do parafuso e no metal da solda. O resultado é que a decisão de três colunas, capacidade, custo, inspeção, é idêntica entre as normas; o que muda entre elas é o fator exato e a tabela de filete mínimo, não a lógica de quando soldar e quando parafusar.

• Dimensionar a solda pela demanda e esquecer o piso. A carga pediu 3,2 mm, mas o filete mínimo de 5 mm governa. Especificar a perna menor é uma violação da norma, não uma otimização.
• Compartilhar um mesmo caminho de carga entre parafusos e soldas. Suas rigidezes diferem, então eles não repartem a carga pela resistência; o caminho mais rígido é sobrecarregado primeiro. Faça cada elemento todo parafusado ou todo soldado.
• Confundir aperto normal com protendido. Protender cada parafuso desperdiça dinheiro em ligações que só precisam de aperto normal; deixar uma ligação por deslizamento crítico ou de fadiga com aperto normal é inseguro. Case a classe com a demanda.
• Soldar em campo aço revestido ou galvanizado sem preparo. Zinco e tinta geram porosidade e fumos; a solda que passou na chapa nua pode falhar numa revestida.
• Inspecionar a coisa errada. Pedir ultrassom num cordão de filete, ou pular a verificação de protensão numa ligação por deslizamento crítico, gasta o orçamento de inspeção onde ele não compra segurança.