Fadiga de Estruturas Soldadas

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8'l li> .; C. MOURA BRANCO. A. AUGUSTO FERNANDES. PAULO M. S. TAVARES DE CASTRO

FADIGA DE

ESTRUTURAS SOLDADAS

2. a edição

FUNDAÇÃO CALOUSTE GULBENKIAN I LISBOA

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BrBLlOTECA DA PUC/MINAS . BELO HORIZONTE

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Reservados todos os direitos de harmOnia COm a lei Edição da FUNDAÇÃO CALOUSTE GULBENKIAN

Av. de Bema I Lisboa

1999

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Dep6sito Legal N. o 138 598/99

ISBN: 972-31-0139-4 '.

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Aos nossos paIs, mulheres e filhos

PREFÁCIO

A obra agora posta à di!>posição do público interessado em construção metálica soldada tem a sua origem em inícios de 1982. Foi, naquela allUra, concebida a sua organização e decidida a distribuição dos assuntos a tratar pelos três autores. Compreen­ sivelmente, numa obra com esta dimensão, o resultado final reflecte no conteúdo e organização as numerosas discussões entre QS autores que ao longo do processo de redacção e revisão foram tendo lugar. O capítulo I, com os seus três apêndices, e o capítulo 2 (excepto ponto 2.11) foram redigidos por P. M. S. Tavares de Castro; os capítulos 3, 4 (excepto ponto 4.5), 5 e II foram redigidos por C. Moura Branco, enquanto A. A . Fernandes se encarregou da redacção do restante - capítulos 6 a 10, pontos 2.11 e 4.5, e os dois apêndices finais (A e B). Os temas tratados incluem-se nos curricula de disciplinas dos cursos superiores de engenharia mecânica, civil e naval, ligadas ao projecto e fabrico de construção metálica. . A obra destina-se aos alunos daqueles cursos, mas também aos profissionais exercendo a activídade em gabinetes de estudos e' projecto. Pretendeu-se fazer uma obra formativa e informativa, apresentando não só os fundamentos das diversas áreas de conhecimento relevantes, mas também as suas aplica­ ções, normalização, e, em muitos casos, resultados recentes e tendências da investigação. O tema é objecto de cresrente interesse entre nós, particularmente desde finais da década de setenta; assim, registam-se já diversos trabalhos de investigação levados a cabo desig­ nadamente nas nossas Universidades. no âmbito de contratos de investigação e teses de mestrado e doutoramento. Este livro rejlecte, naturalmente, o envolvimento dos seus autores nesta dinâmica que, embora iniciada tardiamente em Portugal, irá permitindo progressivamente integrar o País no meio técnico-científico internacional relativo a estes domínios. Os aUlores desejam agradecer a todas as pessoas e instituições que viabilizaram este projecto. Em especial, agradecem ao The Welding Institute, Cambridge, UK, e ao Instituto de Soldadura e Qualidade, Lisboa, a valiosa colaboração na recolha de biblio­ grafia. Ao Deutsches Institut fui Normung (DIN), à American Welding SocietJ' (A WS), ao American Institute of Steel ConstrucLÍon (AISC) e à British Standards Institution (através da Direcção Geral do' Qualidade), os autores agradecem as autorizações com'e­

para reprodução de partes de normas e códigos. Agraaecem ainda a todos os que eSliveram envolvidos na desenhos. Senhores Pedrô de MaIOS (UM). António Ramalho e Joaquim Loureiro (FEU P) e na dacti/o­ grafia do texto. designadamente Maria Gonçall'es (UM). Celeste Fonseca e Costa e Natália Fuschini. Agrade"em a todos os seus colegas e colaboradores que, directa ou indireClamente. contribuíram para a deste li\'ro; em especial. expressam o seu reconhecimento aos Drs. .I. D, S. Maddo.\:. S. Garwood e Mr, 1. M, Laader. do The Welding Institute, Cambridge, UK. pelo l'alioso apoio pres­ tado. finalmente. o seu reconhecimento à Fundação Calousle Gulbenkian, Lisboa. pela oportunidade l'Ol1cedida para materializar este projecto, A obra agora apresentada realizada porque nisso os autores til'eram gosto, agora que tenha utilidade,

.Iulho

1986

CAPiTULO 1

INTRODUÇÃO À MECÂNICA

DA FRACTURA

1,1 INTRODUÇÃO Muitos critérios tradicionais de dimensionamento são baseados em limitar a tensão máxima na secção crítica do componente ou estrutura ao valor da tensão de segurança, que é normalmente a tensão de ccdência dividid~ por um coeficiente de segurança. Na prática, porém, encontra-se uma enorme diversidade de situações, caracterizadas por cargas aplicadas brusca ou lentamente. cíchcas ou estáticas. por ambientes corrosivos ou não , por diferentes temperat·uras de serviço que podem ser constantes ou variáveis. e ainda pelos processos de fabricação utilizados, que podem determinar alterações das pro­ priedades dos materiais bem como aparecimento de tensões residuais. Naturalmente. o sucesso da aplicação dos procedimentos tradicionais de dimensionamento depende do uso de um factor de segurança suficientemente alto para evitar falhas provocadas por qualquer aspecto que não tenha sido tomado em consideração no cálculo, e suficientemente baixo para evitar peso excessivo e desnecessários consumos de material e energia. A escolha destes factores é usualmente um processo empírico, baseado designadamente na experiên­ cia acumulada. Projectos de crescente sofisticação e razões de economia criaram a necessidade de melhor compreensão do comportamento dos materiais nas condições de serviço, e em particular dos problemas de fractura e fadiga, que vão ser o objecto deste livro. É sabido desde meados do século passado que fracturas podem ocorrer em situa­ ções de baixa tensão nominal em componentes sujeitos a cargas que variam ciclicamente, e que essas fracturas ocorrem usualmente numa mudança 'd e secção ou na vizinhança de um entalhe. Este fenómeno foi baptizado com a designação de fadiga de materiais. Há mais de cem anos, Wühler publicou resultados de experiências de fadiga em provetes lisos não entalhados, concluindo que, no caso do aço, existia um valor mínimo da ampli­ tude de tensãQ abaixo do qual o provete não partia, independentemente do número de ciclos de carga aplicados. Desenvolvimentos destes estudos conduziram ao aparecimento de novos critérios de dimensionamento no início do século, como os expressos nas equações de Goodman, ou, por volta de 1930, na equação de Soderberg. Este tipo de resultados revelou-se de

o

12 interesse em em que se procuravam longas, da ordem dos milhões de carga. Mais recentemente tornou-se claro que em .numerosos a vida desejada do ou estrutura era mais curta, sendo o de de carga aplicado da ordem das dezenas de milhar. Isto cond uziu a um novo tipo de estudos da oligocíclica ("Iow cycle fatigue'), em que os ciclos de carga contêm uma componente lisos, não Estes estudos são baseados em entalhados. e os resultados são normalmente expressos por no início da década de 50 por Coffin e Manson, (I. I)

em que Nt é o número de ciclos até à ruína. é a amplitude de deformação plástica. e C e f3 são constantes a determinar experimentalmente. É sublinhar que estes ensaios usam é, de fissuras preexistentes, e. em ambos os casos (fadiga a grande número de cicIos pro­ vocada por cargas cíclicas no domínio elástico, ou fadiga por defor­ sobre o número de ciclos de cíclicas elastoplásticas), dão até ao instante de ruptura. Vemos assim um primeiro grupo de situações em que o uso de u,m critério de dimensionamento consistindo meramente em limitar a tensão máxima ao valor da ten­ são de segurança obtida dividindo a tensão de cedência por um facto r de segurança uma inaceitável simplificação. em que estruturas têm sofrido fracturas provocadas apli­ Há porém cação de um único de originando uma tensão aplicada menor que a tensão de segurança calculada a partir dos procedimentos tradicionais. é um facto de enorme em estnlturas a tensões de tra"Qalho nomi­ importância: podem ocorrer nais qúe estão abaixo da tensão de do material. Estas situações estão normal­ mente à existência de defeitos na estrutura, por exemplo, alguma fissura pro­ vocada por soldadura. da instável de fissuras foi estudado pela primeira vez O nos anos vinte, com o trabalho de Griffith sobre o valor teórico e experimental da ten­ são de fractura de .um sólido frágiL Este trabalho permaneceu sem práticos durante algumas o que justificou a ocorrênci