m3.10-projecto de estruturas de aluminio

7/17/2019 M3.10-Projecto de Estruturas de Aluminio

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A. Chaves e Sousa 1

Módulo: 3.10. - Cálculo de Estruturas de Alumínio e Ligas

Formador: A. Chaves e Sousa

Pós Graduação em Engenharia da Soldadura2012/2013



Projecto de Estruturas de Alumínio

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ALUMÍNIOS




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As primeiras aplicações conhecidas de alumíniosaplicadas aos transportes, foram no início do séc. XX,essencialmente em carenagens.

No ano de 1930 começa o desenvolvimento industrial dasaplicações de Al. A sua leveza foi a principal causa dautilização das ligas de Al nos veículos.




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O seu desenvolvimento devem-se a algumas premissas

tais como:

Leveza – 2,7 g/cm^3. A experiência verifica que o

ganho de peso, relativamente a uma estrutura de aço,é de 35% a 60% Resistência à corrosão – maior resistência aosagentes atmosféricos, quer urbanos quer industriais.

Diversidade de subprodutos – laminados, extrudidos,forjados, vazados.




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Principais diferenças entre o Al e FeC

Baixa resistência

Baixo módulo de elasticidade

Amaciamento na ZAC Diversas confiuraç!es na execuç"o de perfis

extrudidos

#eduç"o de peso




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As ligas de Al são

designadas por 4 números

O 1º número a quepertence a liga

Família Liga

1 Al>99%2 Al+Cu

3 Al+Mn

4 Al+Si5 Al+Mg

6 Al+Mg+Si

7 Al+Zn+Mg8 Outras




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O segundo número

Na família 1000,identificaas nuances nas quais

certas impurezas têm osseus teores controlados Nas famílias 2000 a 8000,está reservado às

modificações sucessivasdas ligas

O terceiro número

Na família 1000 indicaa percentagem de Al

para além de 99%. Nas restantes servempara indicar a liga.




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Domínio de aplicações do Alumínio na Europa

Ind. Eléctrica

13%

Transporte

40%

Embalagens

16%

Ind.

Mecânica

10%

Outros

21%





Em 2002 o consumo mundial de alumínio era deyyyy30,7milhões de tons As ligas mais utilizadas, na construção de veículos,são:

Série 3000: 3003 Série 5000: 5754, 5454, 5086 e 5083 Série 6000: 6060, 6005A, 6106,6082 e 6061.





Os critérios de escolha poderão ser.





As ligas de Al laminados e extrudidos são escolhidos por:

Características mecânicas Facilidade de dar forma Soldabilidade





Critérios de escolha da liga 6000

Diversas ligas estãodisponíveis com

características mecânicasdependentes dos teores deMg e Si





Quando se efectua umaoperação de soldadura, ociclo térmico vai originaralterações de tipometalúrgico que vãoalterar as propriedadesmecânicas do metal debase, na zona afectadapelo calor.





Metal de Basepeça 1

Metal de

base peça 2

7020608260616005A

6060 5083 5454 AISi12 AI-Si7Mg AI-Zn5Mg

7020535640435183

404353565183

53565183

608260616005A

535640435183

535640435183

4043 404353565183

6060535640435183

535640435183

5356404357545183

4043 404353565183

50835086

53565183

53565183

53565183

53565183

40435356

5183

40435356

5183

53565183

54545754

535657545183

53565183

535657545183

535657545183

535657545183

4043535651835854

4043535651835854

53565183

AISi12 404740435356

5183

AI-Si7Mg40434047

404353565183

AI-Zn5Mg53565183





Factores importantes

A largura da zona de resistência depende de diversosfactores entre os quais se destaca os seguintes: Método de soldadura (TIG, MIG, etc.) Metal de base Espessura

Parâmetros de Soldadura (Velocidade, Intensidade, etc.)





Apoiados em diversos coeficientes determinadosexperimentalmente após diversos ensaios analisadosestatisticamente. A resistência de uma soldadura éfunção de um certo número de factores da execução edas ligas.





Coeficiente α - caracteriza a qualidade de execução. Depende da qualificação do soldador Do controle efectuado Da dificuldade de execução da soldadura.

1 – no caso de soldaduras executadas em boascondições e cuja a qualidade é controladaradiograficamente. Para peças comprimidas.

0,8 – no caso de soldaduras difíceis.





O Coeficiente ββββ caracteriza a eficácia metalúrgica. É umvalor determinado experimentalmente em função:

do processo de soldadura, das espessuras a soldar, da preparação, do metal de adição.





O coeficiente γ γγ γ tem em conta os fenómenoscomplexos que se produzem as soldaduras deângulo solicitadas.





emin : menor espessura a unir,

L : comprimento da soldadura σe : limite mínimo garantido a 0.2% da liga de

alumínio no estado no estado de utilização F ou T : esforço normal ou tangencial ponderado aplicado a

cada cordão σ : tensão normal τ : tensão tangencial

α : coeficiente convencional de qualidade de execução b : coeficiente de eficiência metalúrgica





1

. e

F

L e σ αβ × ≤

Peça submetidas a um

esforço de tracção





Peça submetida a um

esforço, gerando corte

11,67

. e

F

L eσ

αβ × ≤





Caso de peças submetidas a

um esforço de tracção e a umesforço ocasional de corte

eσ

αβ τ σ ≤+ 1

8,2 22

e L

F

.

=σ

e L

T

.=

τ





Caso de peça submetida aum esforço de compressão ea esforços de corte

eσ

αβ

τ ασ ≤+ 1

8,2)( 22

e L

T

.=τ

e L

F

.=σ





Peça submetida a umesforço de tracção c/soldadura de canto.

ea L

F σ

γ β α ≤×

∑ ..

1

.





e

a L

F σ

γ β α ≤×

∑ ..

167,1

.

Verificação da tensão de corte





Existem 3 componentes detensões segundo trêsdirecções privilegiadas

relativas ao plano da gargantae à direcção geral do cordão.





2 2 2 2

// 2 2 2

12,8( )

eσ τ τ σ

α β γ ⊥ ⊥ + + ≤





A largura da zona de resistência e da ZTA depende de:

Procedimento de soldadura escolhido Metal de base e da sua condição Espessura dos elementos Preparação dos bordos Velocidade de soldadura Intensidade





Dada a possível redução das propriedades mecânicas na

zona da junta, por efeito da operação de soldadura, éconveniente, localizar as juntas soldadas em zonassujeitas a tensões reduzidas.

Devem usar-se cordões de soldadura longitudinais,paralelos à direcção de aplicação da carga, de modo aminimizar o efeito da redução localizada da resistência.





Quando é necessário usar juntas transversais em zonas detensão elevada, pode recorrer-se ao uso de reforços nocaso dos esforços serem estáticos





Recurso a elementos extrudidos





FADIGA O comportamento à fadiga de juntas soldadas de Al,

é afectada pelo seguinte: Propriedades do material base Grandeza e tipo das tensões aplicadas e tensões

residuais Modo de aplicação da carga Meio ambiente

Concentração de tensões Tratamentos pós soldadura Geometria da montagem





Defeitos no comportamento à

fadiga Os defeitos da soldadura

formam concentrações detensões que influenciam ocomportamento à fadiga.

Porosidades -





Falta de penetração A falta de penetração

intermitentes nãoexercem influêncianegativa na vida atensões elevadas.

Só começam a serimportantes quandocorrespondem a mais

de 7% da espessurada chapa.

Falta de fusão Só se tiver uma

dimensão elevada éque tem umcomportamentoidêntico à falta de

penetração.





Defeitos de forma

A resistência à fadiga duma junta soldada pode serreduzida em mais de 50% quando se verificamdesalinhamentos numa junta transversal com valor =

à metade da espessura da chapa.

O efeito de concentração de tensões é elevado,além do mais pela introdução de tensões de flexão.





Melhoramentos das juntas soldadas sujeitas à fadiga Bom controle dos parâmetros de soldadura, para evitar

defeitos locais Utilização de ferramentas para redução de

desnivelamentos e defeitos angulares Desbaste, à mó ou outro, do cordão de soldadura para

optimizar a forma. Serve também para ver se hádefeitos.

Forma dos elementos a soldar Grenalhagem para introduzir tensões de compressão.





Melhoria da resistência à fadiga em soldaduras topo a

topo por grenalhagem.

Tensão máxima=90MPa

Tracção alternada

1,0min==

máx

R

σ

σ

P j d E d Al í i





P j t d E t t d Al í i





O comportamento à fadiga de ligas de Al paraN>10^5 é:

- independente do tipo de liga, nas famílias 5000 e 6000

- depende do valor de

- depende muito da geometria, do processo e qualidadede fabricação e do nível das tensões residuais

máx

R σ

σ min

=

P j t d E t t d Al í i





Critérios de escolha dos processos de soldadura






#eparaç"o das estruturas soldadas

$scolha das lias % material utili&ado para a reparaç"o deve ser o mesmo

do de oriem

Preparaç"o da soldadura 'tili&ar no corte( o plasma ou um disco de corte de

car)oneto

#aspar )em a &ona a soldar para retirar a pintura eoutros

Desenordurar )em( um pouco antes de soldar.






Soldadura Manter os elementos a soldar em conformidade

dimensional. Tomar atenção ao sentido dos cordões de

soldadura, para limitar as deformações. De facto aretracção volumétrica nos cordões é de cerca de 6%entre o estado líquido e o sólido. Este fenómenoinduzido tem influência no risco de fissuração.






Soldadura Ter em atenção os alinhamentos das soldaduras

para não caírem sobres as de origem.






Soldadura Controlar as soldaduras( radiorafia( l*+uidos

penetrantes( etc..


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