SISTEMAS MECÂNICOS I

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 4 – PARAFUSOS, FIXADORES E PROJETO DE JUNÇÕES NÃO -PERMANENTES

JUNÇÃO DE TRAÇÃO CARREGADA ESTACIONAMENTE COM PRÉ-CARGA

Prof.: Kaio Dutra

◦A tensão de tração no parafuso pode serencontrada:

◦O valor limitante de σb é a resistência à prova Sp.Assim, com a introdução de um fator de carga n, aEquação torna-se:

◦ Chamamos n de um fator de carga, em vez de umfator de segurança, embora as duas idéias estejamde certa forma relacionadas.

◦Qualquer valor de n>1 na Equação assegura que atensão do parafuso é menor que a resistência àprova.

JUNÇÃO DE TRAÇÃO CARREGADA ESTACIONAMENTE COM PRÉ-CARGA

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◦Uma outra maneira de assegurar uma junção segura é requerer que a cargaexterna seja menor que aquela necessária para fazer a junção se separar.

◦ Se tal separação ocorrer, então a carga externa total será imposta sobre oparafuso. Considere Po o valor da carga externa que causaria a separação.Nessa separação Fm = 0 na Equação:

◦ Estabeleça o fator de segurança contra a separação da junção como:

◦ Substituindo Po=noP na Equação, encontramos

JUNÇÃO DE TRAÇÃO CARREGADA ESTACIONAMENTE COM PRÉ-CARGA

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◦ Parafusos de porca de boa qualidade podemser pré-carregados dentro do intervaloplástico, de modo a desenvolver maiorresistência. Parte do torque de parafuso deporca utilizado no aperto produz torção, quepor sua vez aumenta a tensão principal detração. Contudo, essa torção é mantidasomente pela fricção da cabeça do parafuso deporca e da porca; com o tempo, ela relaxa ebaixa a tração de parafuso ligeiramente.Assim, como regra, um parafuso de porca irásofrer fratura durante o aperto, ou então não.

JUNÇÃO DE TRAÇÃO CARREGADA ESTACIONAMENTE COM PRÉ-CARGA

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◦ Bowmans recomenda uma pré-carga de 75% da carga de prova, o que éaproximadamente igual às recomendações da RB&W para parafusos de porcareutilizados. Em vista dessas diretrizes, é recomendado, para carregamento estático efadiga, que o seguinte seja usado para pré-carga:

◦ Em que Fp é a carga de prova, obtida da equação: Fp=At.Sp◦ Aqui, Sp é a resistência à prova obtida das Tabelas 8-9 a 8-11. Para outros materiais, um

valor aproximado é Sp = 0,85Sy,. Tenha cuidado para não utilizar um material mole emum fixador rosqueado. Para parafusos de porca de aço de alta resistência usados comoconectores estruturais de aço, se métodos de aperto avançado forem utilizados, aperteaté o escoamento.

JUNÇÃO DE TRAÇÃO CARREGADA ESTACIONAMENTE COM PRÉ-CARGAEXEMPLO 8-4

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◦A Figura é uma secção transversal de um vasode pressão de ferro fundido de grau 25. Umtotal de N parafusos de porca é usado pararesistir a uma força de separação de 36 kip.

◦ (a) Determine kb, km e C (Use parafusos de5/8in 11 UNC x 2.1/4in).

◦ (b) Encontre o número de parafusos requeridopara um fator de carga de 2 em que osparafusos podem ser reutilizados quando ajunção é desmontada.

JUNÇÃO DE TRAÇÃO CARREGADA ESTACIONAMENTE COM PRÉ-CARGAEXEMPLO 8-4

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◦ (a) Determine kb, km e C (Use parafusos de 5/8in 11 UNC x 2.1/4in) / LG=1,5.

JUNÇÃO DE TRAÇÃO CARREGADA ESTACIONAMENTE COM PRÉ-CARGAEXEMPLO 8-4

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◦ (b) Encontre o número de parafusos requerido para um fator de carga de 2 emque os parafusos podem ser reutilizados quando a junção é desmontada.

JUNÇÕES DE GAXETA

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◦ Se uma gaxeta completa estiver presente em uma junção, sua pressão p éencontrada dividindo-se a força nos membros pela área de gaxeta porparafuso (de porca). Assim, para N parafusos de porca,

◦ Com um fator de carga n, a Equação pode ser escrita como:

◦ Em junções de gaxeta completa, a uniformidade da pressão na gaxeta éimportante. Para manter tal uniformidade adequada, parafusosadjacentes não devem ser colocados mais de seis diâmetros nominaisseparados no círculo de parafuso. Para manter a folga da chave, osparafusos de porca devem ser postos pelo menos três diâmetrosseparados. Uma regra rudimentar para espaçamento de parafusos deporca ao redor de um círculo de parafusos de porca é:

◦ em que Dh é o diâmetro do círculo de parafuso de porca e N, o númerode parafusos de porca.

CARREGAMENTO DE FADIGA DE JUNÇÕES DE TRAÇÃO

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◦ Junções parafusadas carregadas em tração, sujeitas à açãode fadiga, podem ser analisadas diretamente pelos métodosdos índices de fadiga. A Tabela lista fatores médios deconcentração de tensão de fadiga para o filete sob a cabeçado parafuso de porca e também no começo das roscas dahaste desse parafuso. Tais fatores já foram corrigidos parasensibilidade a entalhe e acabamento de superfície.

CARREGAMENTO DE FADIGA DE JUNÇÕES DE TRAÇÃO

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◦O uso de roscas laminadas é o método predominante de conformação de roscaem fixadores de parafuso, ao qual a Tabela 8-16 é aplicável. Na laminação derosca, a quantidade de trabalho a frio e de deformação/enrijecimento édesconhecida do projetista; portanto, a resistência (limite de fadiga) axialcompletamente corrigida (incluindo Kf) é relatada na Tabela 8-17. Para roscascortadas.

CARREGAMENTO DE FADIGA DE JUNÇÕES DE TRAÇÃO

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◦Na maioria das vezes, o tipo de carregamento de fadiga encontrado na análise dejunções parafusadas é um carregamento em que a carga aplicada externamenteflutua entre zero e alguma força máxima P. Essa seria a situação em um cilindrode pressão, por exemplo, em que a pressão ora existisse, ora deixasse de existir.Para tais casos, Fmax = Fb e Fmin = Fi, sendo a componente alternante da forçaFa = (Fmax - Fmin )/2= (Fb - Fi)/2. Dividir esta por A, produz a componentealternante da tensão do parafuso.

◦A tensão média é igual à componente alternante mais a tensão mínima, queresulta em:

CARREGAMENTO DE FADIGA DE JUNÇÕES DE TRAÇÃO

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◦O problema seguinte é encontrar as componentes de resistência Sa e Sm do localgeométrico de falha de fadiga. Essas componentes dependem dos seguintescritérios de falha:

CARREGAMENTO DE FADIGA DE JUNÇÕES DE TRAÇÃO

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◦ Pela solução simultânea as Equações, como:

◦Obtemos:

CARREGAMENTO DE FADIGA DE JUNÇÕES DE TRAÇÃO

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◦O fator de segurança protegendo contra fadiga é dado por:

◦Aplicando-o ao critério de Goodman, por exemplo, temos:

◦ Com nenhuma pré-carga, C=1, Fi=0, a Equação torna-se:

◦A pré-carga é benéfica para resistir à fadiga quando nf/nf0 for maior que aunidade. Para Goodman, com nf/nfo ≥ 1, põem uma borda (limite) superior napré-carga Fi de:

CARREGAMENTO DE FADIGA DE JUNÇÕES DE TRAÇÃO

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◦ Se este não puder ser atingido, e se nf for insatisfatório, utilize o critério deGerber ou o ASME-elítico para obter uma avaliação menos conservadora. Se oprojeto ainda não for satisfatório, parafusos adicionais e/ou um parafuso detamanho diferente poderão ser requeridos.

◦ Como se combate o afrouxamento? Dentro das limitações de resistência; quantomais alta for a pré-carga, melhor. Uma regra prática é que pré-cargas de 60% dacarga de prova raramente afrouxam. Se mais é melhor, quanto mais deve ser?Não o suficiente para criar fixadores reutilizados como uma ameaça futura.

◦ Também deve verificar a possibilidade de escoamento, usando a resistência àprova

CARREGAMENTO DE FADIGA DE JUNÇÕES DE TRAÇÃOEXEMPLO 8-5

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◦A Figura mostra uma conexão usando parafusos decalota. A junção está submetida a uma força flutuantecujo valor máximo é de 5 kip por parafuso. Os dadosrequeridos são os seguintes: parafuso de calota de 5/8in-11 NC, SAE 5; arruela de aço endurecido comespessura tw = 1/16 in; chapa de aço de coberturacom espessura t1 = 5/8 in; módulo de elasticidade Es =30 Mpsi; base de ferro fundido de espessura t2 = 5/8in; e módulo de elasticidade Eci = 16 Mpsi.

◦ (a) Encontre kb, km e C usando as hipóteses aventadasna legenda da Figura.

◦ (b) Encontre todos os fatores de segurança.

CARREGAMENTO DE FADIGA DE JUNÇÕES DE TRAÇÃOEXEMPLO 8-5

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◦ (a) Encontre kb, km e C usando as hipóteses aventadasna legenda da Figura.

CARREGAMENTO DE FADIGA DE JUNÇÕES DE TRAÇÃOEXEMPLO 8-5

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◦ (a) Encontre kb, km e C usando as hipóteses aventadasna legenda da Figura.

CARREGAMENTO DE FADIGA DE JUNÇÕES DE TRAÇÃOEXEMPLO 8-5

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◦ (a) Encontre kb, km e C usando as hipóteses aventadasna legenda da Figura.

CARREGAMENTO DE FADIGA DE JUNÇÕES DE TRAÇÃOEXEMPLO 8-5

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◦ (b) Encontre todos os fatores de segurança.

CARREGAMENTO DE FADIGA DE JUNÇÕES DE TRAÇÃOEXEMPLO 8-5

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◦ (b) Encontre todos os fatores de segurança.

JUNÇÕES DE CISALHAMENTO

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◦ Junções podem e devem ser carregadas emcisalhamento para que os fixadores não recebamtensão adicional além do aperto original. Ocarregamento de cisalhamento é resistido de duasformas principais:◦ A carga de cisalhamento é suportada por fricção entre os

membros e garantida pela ação de engastamento dosparafusos de porca ou de calota.

◦ A carga de cisalhamento é suportada por pinos passantesem orifícios escareados, colocados em ambas as peçasdurante o aperto, a fim de assegurar alinhamento.

JUNÇÕES DE CISALHAMENTO

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◦ Essencial à análise de uma junção de cisalhamento é alocalização do centro de movimento relativo entre osdois membros. Na Figura, considere A, a A5 asrespectivas áreas de secção transversal de um grupo decinco pinos ou rebites ou parafusos de colarinho eporca de ajuste apertado. Sob tal hipótese, o ponto derotação do pivô situa-se no centróide da distribuição deárea de secção transversal dos pinos, rebites ouparafusos de porca.

◦ Em muitos exemplos, o centróide pode ser localizadopor simetria.

JUNÇÕES DE CISALHAMENTO

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◦ Um exemplo de carregamento excêntrico de fixadores émostrado na Figura. É uma peça de estrutura contendouma viga sujeita à ação de uma carga de flexão.

◦ A carga total recebida por cada parafuso serácalcularem três passos.

◦ No primeiro passo, o cisalhamento V é divididoigualmente entre os parafusos, de modo que cadaparafuso recebe F’ =V1/N. com N referindo-se aonúmero de parafusos de porca no grupo e a força F’sendo denominada carga direta, ou cisalhamentoprimário.

◦ A carga de momento, ou cisalhamento secundário, é acarga adicional em cada parafuso de porca, devido aomomento M1.

JUNÇÕES DE CISALHAMENTO

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◦ Se rA, rB, rC, etc., são as distâncias radiais do centróideao centro de cada paratuso, a Força F”, relacionadas ascargas de momento, mantendo a proporcionalidade dadistribuição do momento para cada parafuso é dadapor:

◦ em que o subscrito n refere-se a um parafuso de porcaparticular cuja carga está por ser encontrada.

◦ No terceiro passo, as cargas direta e de momento sãosomadas vetorialmente, para obter a carga resultanteem cada parafuso de porca. Visto que todos osparafusos ou rebites são geralmente do mesmotamanho. apenas o parafuso com a carga máximanecessita ser considerado.

JUNÇÕES DE CISALHAMENTO

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◦A tensão de cisalhamento gerada para carga cortantetotal pode ser calculada por:

◦A tensão na superfície do parafuso é dado por:

JUNÇÕES DE CISALHAMENTOEXEMPLO 8-7

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◦ Exibida na Figura está uma barra de açoretangular de 15 mm por 200 mm.sustentada em balanço por um canal deaço de 250 mm.◦ (a) A carga resultante em cada parafuso de

porca.

◦ (b) A tensão máxima de cisalhamento em cadaparafuso de porca (usa arruelas de 2mm eporca de 14,8mm Tabela A-31).

◦ (c) A tensão de suporte máxima.

JUNÇÕES DE CISALHAMENTOEXEMPLO 8-7

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◦ (a) A carga resultante em cada parafuso de porca.

◦ (b) A tensão máxima de cisalhamento em cada parafuso deporca (usa arruelas de 2mm e porca de 14,8mm Tabela A-31).

◦ (c) A tensão de suporte máxima.