Guia definitivo para fixação de parafusos de alta resistência: Além dos números de torque

Um guia completo para fixação com parafusos de alta resistência: Entendendo os princípios básicos

A fixação de parafusos de alta resistência é um processo essencial na construção moderna em aço, mas muitas pessoas não o compreendem totalmente. O principal objetivo do aperto de um parafuso estrutural não é atingir um número de torque específico, mas criar a quantidade certa de força de fixação, chamada de pré-carga. O torque é apenas uma forma indireta de atingir esse objetivo, e muitas vezes não é confiável. Este guia explica os princípios básicos, os métodos, os fatores importantes e os procedimentos de verificação necessários para garantir a segurança estrutural por meio da pré-carga adequada. Vamos detalhar a ciência por trás da pré-carga, explicar os métodos de fixação padrão, analisar as falhas comuns e suas causas e delinear as etapas de inspeção e controle de qualidade necessárias para conexões aparafusadas seguras e duradouras.

Entendendo os fundamentos da pré-carga

Para se tornar hábil no aparafusamento de alta resistência, você precisa se concentrar no próprio parafuso, não apenas na chave. Um parafuso apertado funciona como uma mola cuidadosamente esticada, e entender essa ideia é fundamental para todo o resto.

O que é pré-carga?

A pré-carga é a tensão criada em um parafuso quando a porca é apertada. Essa tensão estica o parafuso e, em resposta, o parafuso prende as peças de aço conectadas com uma força forte e mensurável. Essa força de fixação é o que realmente estamos tentando obter. A pré-carga serve a três propósitos principais:

• Ele cria uma enorme força de atrito entre as camadas de uma conexão de aço, impedindo que a junta deslize sob cargas laterais. É assim que funciona uma conexão crítica de deslizamento.
• Ele mantém as peças unidas em contato firme e contínuo, proporcionando rigidez e impedindo a separação quando a conexão é submetida a forças de tração ou de pressão.
• Ela melhora muito a duração do parafuso sob cargas repetidas. Ao manter uma alta tensão inicial, a pré-carga reduz a quantidade de estresse externo que o parafuso sofre, evitando o início e o crescimento de rachaduras.

Torque, tensão e fator K

A relação entre o torque aplicado a uma porca e a tensão resultante do parafuso (pré-carga) segue esta fórmula: T = K x D x P.

• T = Torque alvo
• K = Fator de porca (também chamado de coeficiente de atrito)
• D = Diâmetro do parafuso
• P = Pré-carga alvo (tensão do parafuso)

Embora essa fórmula pareça simples, ela mostra por que o torque não é uma forma confiável de medir a pré-carga. O valor "K", o fator da porca, não é constante. Ele representa o atrito na superfície de contato entre a porca e o aço e dentro das roscas do parafuso e da porca. É importante ressaltar que o atrito consome a maior parte da energia durante o aperto. Estudos mostram que cerca de 85-90% do torque aplicado é usado para superar o atrito, sendo que apenas 10-15% realmente criam uma tensão útil no parafuso.

O fator K muda com base em muitas variáveis, incluindo o tipo e a presença de lubrificação, o acabamento da superfície das peças, os tipos de materiais e a condição da rosca. Uma mudança em qualquer um desses fatores alterará o fator K, o que significa que o mesmo torque pode produzir valores de pré-carga muito diferentes. É por isso que os métodos que se baseiam apenas em um valor de torque padrão não são permitidos para juntas de alta tensão nos principais códigos estruturais.

Fatores importantes de pré-carga

Obter a pré-carga desejada de forma consistente exige um controle rigoroso de todas as peças e condições do conjunto de fixadores. Ignorar essas variáveis pode tornar inútil até mesmo a instalação mais cuidadosa.

Por que a lubrificação é importante

A lubrificação é provavelmente o fator mais importante para obter a pré-carga correta. Os parafusos de alta resistência, como os que atendem aos padrões ASTM F3125, vêm com lubrificante aplicado pelo fabricante. Esse revestimento é projetado para proporcionar um fator K consistente e evitar a escoriação, um tipo de solda fria que pode ocorrer entre as roscas da porca e do parafuso sob alta pressão, levando à gripagem ou à quebra do parafuso.

Com base em nossa experiência de campo, observamos diferenças significativas na pré-carga quando esse princípio é ignorado. Por exemplo, parafusos deixados expostos ao tempo podem ter seu lubrificante lavado, aumentando drasticamente o atrito e resultando em baixa pré-carga para um determinado torque. Por outro lado, a aplicação de um lubrificante não aprovado, como um composto antigripante genérico, pode reduzir tanto o atrito que o parafuso é tensionado em excesso e pode quebrar. A regra é simples: use parafusos, porcas e arruelas conforme fornecidos pelo fabricante e proteja-os contra contaminação e intempéries.

Condição do componente

Antes da instalação, todas as peças de fixação devem ser verificadas visualmente para garantir que atendam aos requisitos do projeto e estejam em condições adequadas.

• Parafusos e porcas: Verifique o grau correto (como o grau A325, A490 ou as designações mais recentes da F3125), o diâmetro e o comprimento. Certifique-se de que eles estejam armazenados em recipientes protegidos para mantê-los livres de sujeira, ferrugem ou danos nas roscas. Qualquer parafuso com roscas visivelmente danificadas deve ser jogado fora.
• Arruelas: São necessárias arruelas de aço endurecido (conforme ASTM F436) sob a peça que está sendo girada (geralmente a porca). Isso proporciona uma superfície consistente, dura e lisa para normalizar o atrito. Para superfícies com inclinação maior que 1:20 em relação ao eixo do parafuso, devem ser usadas arruelas chanfradas para proporcionar uma superfície de apoio quadrada e evitar a flexão do parafuso.

Condições do furo e da superfície

A condição das superfícies de aço que estão sendo unidas, conhecidas como superfícies de contato, afeta diretamente a estabilidade de longo prazo da pré-carga. Qualquer material que possa se comprimir, se deformar ou se arrastar com o tempo levará a uma perda de tensão do parafuso. As rebarbas ao redor da borda de um orifício de parafuso devem ser removidas. A especificação do RCSC (Research Council on Structural Connections, Conselho de Pesquisa sobre Conexões Estruturais) geralmente não permite o uso de tintas pesadas, incrustações ou outros revestimentos nas superfícies de contato de conexões críticas de deslizamento, a menos que seu desempenho tenha sido verificado por meio de testes. Esses materiais podem se comprimir lentamente sob a alta força de fixação, causando o relaxamento da pré-carga e comprometendo a resistência ao deslizamento da junta.

Métodos técnicos de fixação

O setor de aço estrutural reconhece quatro métodos principais para atingir a pré-carga mínima necessária. Cada um deles se baseia em um princípio físico diferente e tem seus próprios requisitos de procedimento, equipamento e inspeção. Todos os métodos partem do mesmo ponto: a condição de aperto apertado.

A condição de apertado

A condição de aperto confortável é o ponto de partida para o tensionamento final de qualquer conexão de alta tensão ou de deslizamento crítico. Ela é definida como o aperto obtido com o esforço total de uma pessoa usando uma chave de fenda padrão ou o ponto em que uma chave de impacto começa a produzir impactos sólidos. O objetivo de apertar os parafusos é colocar todas as camadas de aço da junta em contato firme, eliminando lacunas e garantindo que todo o conjunto esteja sólido antes da aplicação do tensionamento final e medido. Normalmente, isso é feito em um padrão em estrela ou cruzado para garantir que a junta se feche uniformemente.

Método 1: Virar a porca

Esse método é um dos mais confiáveis porque depende da geometria previsível do alongamento do parafuso, e não da fricção variável do torque. Depois de atingir a condição de aperto, o instalador usa um marcador permanente para colocar uma marca de correspondência na porca, na ponta do parafuso e na superfície de aço adjacente. Essa marca fornece uma referência visual. Em seguida, a porca é girada em uma quantidade específica em relação ao parafuso. Essa rotação necessária é especificada pela RCSC e depende da relação entre o comprimento e o diâmetro do parafuso, conforme mostrado na tabela abaixo.

Método 2: Chave calibrada

Esse método usa uma chave de torque controlada para aplicar um valor de torque alvo. Entretanto, conforme discutido, a relação entre torque e tensão não é confiável sem calibração. Portanto, esse método requer um processo crítico de verificação pré-instalação. Todos os dias, usando o lote específico de fixadores (parafuso, porca e arruela) a ser instalado, uma amostra representativa de montagens deve ser testada em um calibrador de tensão de parafuso, como um dispositivo Skidmore-Wilhelm. Esse dispositivo mede diretamente a pré-carga obtida para um determinado torque. O operador aperta o parafuso e registra o torque necessário para obter uma tensão um pouco maior do que a pré-carga mínima exigida. Esse valor de torque se torna o torque de instalação no local de trabalho para aquele lote específico de fixadores somente naquele dia.

Método 3: Parafusos de torção (TC)

Os parafusos do tipo Twist-Off, também conhecidos como parafusos de controle de tensão, são um conjunto especial projetado para instalação e inspeção rápidas. O parafuso apresenta uma extremidade estriada que se estende além da parte rosqueada. Uma chave de cisalhamento elétrica especializada é usada para a instalação. A chave tem dois soquetes concêntricos: um soquete externo que gira a porca e um soquete interno que segura a ranhura. À medida que a porca é apertada, a resistência aumenta até atingir um nível predeterminado, momento em que a carga de torque corta a extremidade estriada do parafuso. Isso fornece uma indicação direta e confiável de que a tensão necessária foi atingida.

Método 4: Indicadores de tensão direta (DTIs)

Os Indicadores de Tensão Direta são arruelas especializadas e endurecidas com saliências em uma das faces. O DTI é colocado sob a cabeça do parafuso ou da porca, com as saliências apoiadas em uma superfície dura e plana (normalmente uma arruela temperada padrão F436). Quando o parafuso é apertado, a força de fixação achata essas saliências. A instalação estará concluída quando a folga restante for reduzida a um valor específico, que é verificado por um inspetor usando um calibrador de folga. Se o calibrador não conseguir entrar na folga, o parafuso está devidamente tensionado. Alguns DTIs, conhecidos como Squirting DTIs, são preenchidos com um silicone laranja brilhante que é expelido quando a tensão correta é atingida, fornecendo uma indicação visual imediata.

Comparação dos métodos

A escolha do método correto depende dos requisitos do projeto, da disponibilidade de equipamentos, da experiência da equipe e dos procedimentos de inspeção. A tabela a seguir fornece uma comparação.

Tabela 1: Comparação de métodos de fixação com parafusos de alta resistência

Como as articulações se comportam e por que elas falham

Um parafuso instalado corretamente é apenas o começo. Compreender como uma junta se comporta durante sua vida útil e como a fixação inadequada leva à falha é essencial para qualquer profissional da área estrutural.

Perda de pré-carga ao longo do tempo

A pré-carga nem sempre é permanente. Uma certa quantidade de perda de tensão, conhecida como relaxamento, ocorre após a instalação. É fundamental garantir que, mesmo após essa perda, a pré-carga restante seja suficiente para os requisitos de projeto da junta. As principais causas são:

1. Embutimento: Logo após o aperto, os pequenos pontos altos nas superfícies da rosca e sob a porca e a cabeça do parafuso se achatam sob a imensa pressão do rolamento. Essa leve deformação plástica resulta em uma perda pequena, mas previsível, do alongamento do parafuso e, portanto, da pré-carga.
2. Afrouxamento por vibração: Em juntas sujeitas a vibração ou cargas repetidas, especialmente aquelas com movimento lateral, a porca pode girar gradualmente para trás, causando uma perda significativa de pré-carga. Uma alta pré-carga é a melhor defesa contra isso, pois aumenta o atrito que resiste a esse giro para trás.
3. Fluência da gaxeta/Relaxamento de tensão: Em juntas com gaxetas ou outros materiais macios, ou em conexões que operam em altas temperaturas, os materiais podem se deformar lentamente ou "rastejar" ao longo do tempo, reduzindo a distância de fixação e causando a diminuição da pré-carga.

Maneiras comuns de falha dos parafusos

Quase todas as falhas de parafusos em aplicações estruturais podem ser atribuídas a uma única causa principal: pré-carga incorreta ou insuficiente.

• Falha por fadiga: Esse é o modo de falha mais comum para parafusos sob cargas repetidas. Um parafuso com baixa pré-carga sofrerá uma grande parte de qualquer carga externa repetida, submetendo-o a ciclos de alta tensão que levam à formação de trincas e à eventual quebra. Um parafuso com alta pré-carga experimenta apenas uma pequena fração desse ciclo de carga externa, mantendo sua tensão baixa e aumentando consideravelmente sua vida útil.
• Deslizamento da junta: Em uma conexão com deslizamento crítico, o projeto conta com a força de fixação da pré-carga para gerar atrito suficiente para resistir às forças de cisalhamento. Se a pré-carga estiver abaixo do mínimo especificado, a força de fixação será inadequada. Sob uma carga de projeto, o atrito pode ser superado e a junta deslizará para o rolamento, um evento que constitui uma falha de manutenção e não é permitido nesse tipo de conexão.
• Fragilização por hidrogênio: Os parafusos de alta resistência (normalmente aqueles com resistência à tração superior a 150 ksi, como o Grau A490) são suscetíveis a esse mecanismo de falha. Embora seja principalmente uma preocupação de material e fabricação, as condições de campo podem piorar o risco. Os átomos de hidrogênio podem ser introduzidos a partir de fontes como processos de galvanização ou ambientes corrosivos. Esses átomos migram para áreas de alta tensão - como as raízes da rosca de um parafuso tensionado - e causam uma fratura frágil com atraso de tempo, sem qualquer aviso ou deformação.

Verificação e inspeção

A garantia de qualidade não é opcional; é uma parte essencial do processo de aparafusamento de alta resistência. Os principais códigos estruturais exigem procedimentos específicos de verificação e inspeção para garantir a segurança pública.

Verificação pré-instalação

Antes do início do aparafusamento do projeto, deve ser realizado um teste de capacidade rotacional (RC). Esse teste é exigido pela Especificação RCSC para cada lote de capacidade rotacional de fixadores. Uma amostra de conjuntos (um parafuso, uma porca e uma arruela dos mesmos lotes) é testada em um calibrador de tensão. O teste verifica duas coisas: primeiro, que o lubrificante está funcionando corretamente e, segundo, que o conjunto pode atingir pelo menos 10% a mais do que a pré-carga mínima exigida sem se desgastar ou quebrar. Uma falha no teste RC exige que todo o lote de fixadores seja colocado em quarentena e rejeitado.

Inspeção regular da instalação

Durante a instalação, o trabalho principal do inspetor é observar as equipes de aparafusamento. O inspetor deve verificar se as equipes estão implementando sistematicamente o procedimento de instalação escolhido e aprovado para cada parafuso. Isso inclui verificar se as superfícies estão preparadas, se os componentes estão corretos, se o padrão de encaixe está sendo seguido e se o método de tensionamento final está sendo aplicado de forma consistente e correta.

Inspeção pós-instalação

Depois que os parafusos tiverem sido instalados e tensionados, é necessário fazer uma inspeção final. A ação específica depende do método de instalação utilizado. Uma chave de torque não é usada para a inspeção, a menos que o método de instalação tenha sido o Calibrated Wrench.

Tabela 2: Resumo da inspeção pós-instalação

Solução de problemas comuns

Mesmo com procedimentos bem definidos, podem surgir problemas no campo. Um profissional experiente pode diagnosticar e resolver rapidamente esses problemas comuns.

Guia de solução de problemas

A tabela a seguir fornece um guia de referência rápida para problemas comuns de campo, suas causas prováveis e soluções eficazes. Esse guia foi elaborado com base em anos de observação de campo e solução de problemas em projetos de aço estrutural.

Tabela 3: Guia de solução de problemas de fixação com parafusos de alta resistência

Resumo

A fixação bem-sucedida de parafusos de alta resistência é um processo sistemático de engenharia, e não apenas o aperto aleatório de parafusos. Toda a disciplina é regida pelo princípio único e fundamental de atingir uma pré-carga desejada. Compreendendo a ciência que separa o torque da tensão, controlando cuidadosamente as variáveis, como lubrificação e condição do componente, e aplicando e verificando diligentemente um dos métodos de instalação aceitos pelo setor, podemos garantir que cada parafuso desempenhe sua função como uma mola precisa e de alta resistência. Essa abordagem técnica e orientada para os detalhes não é uma questão de preferência; ela é fundamental para a segurança, a durabilidade e o desempenho de longo prazo das estruturas de aço que formam a espinha dorsal de nosso mundo moderno.

• https://www.aisc.org/ Instituto Americano de Construção em Aço (AISC)
• https://www.boltcouncil.org/ Conselho de Pesquisa sobre Conexões Estruturais (RCSC)
• https://www.astm.org/ ASTM International - Padrões de parafusos estruturais
• https://www.iso.org/ ISO - Organização Internacional de Padronização
• https://www.portlandbolt.com/ Parafuso de Portland - ASTM F3125 Recursos técnicos
• https://galvanizeit.org/ American Galvanizers Association - Atualizações das especificações da RCSC
• https://www.structuremag.org/ STRUCTURE Magazine - Engenharia estrutural
• https://www.cisc-icca.ca/ Instituto Canadense de Construção em Aço
• https://en.wikipedia.org/wiki/Structural_engineering Wikipedia - Engenharia estrutural
• https://www.sciencedirect.com/ ScienceDirect - Pesquisa sobre conexões estruturais