A resistência ao cisalhamento de um parafuso é a força lateral máxima que um parafuso pode suportar antes de se romper ao longo de sua seção transversal.
O cálculo incorreto da resistência ao cisalhamento de parafusos pode levar à falha do fixador. Isso resulta em danos e até acidentes perigosos.
Este artigo descreve a definição de resistência ao cisalhamento de parafusos, métodos de cálculo e seleção de classe de parafuso para a carga específica em uma junta.
O que é a Resistência ao Cisalhamento de Parafusos?
Uma força exercida sobre o parafuso que conecta duas peças e que tende a fazê-las deslizar uma em relação à outra é experimentada como cisalhamento.
No cisalhamento, a carga é aplicada perpendicularmente ao eixo do parafuso, ao contrário da tração, onde a carga é aplicada paralelamente ao eixo do parafuso.
Para a maioria dos parafusos, não há resistência ao cisalhamento especificada. A resistência ao cisalhamento de um parafuso é calculada a partir da resistência à tração do parafuso usando uma proporção bem conhecida.
Usando a equação bem aceita, consistente com as especificações AISC e Eurocode 3, a relação entre cisalhamento e resistência mínima à tração é definida em cerca de 60%.
Resistência ao Cisalhamento vs. Resistência à Tração: Principais Diferenças
Esses dois tipos de resistências medem diferentes métodos de falha.
A resistência à tração mede a resistência à fratura de um parafuso sob tensão axial de tração. Enquanto isso, a resistência ao cisalhamento mede a resistência à deformação por cisalhamento da haste do parafuso.
Ambos os valores são importantes, mas em diferentes configurações de juntas. Uma flange aparafusada sob pressão interna aplica carga de tração aos parafusos.
Uma junta sobreposta ou um suporte aparafusado a uma viga aplica carga de cisalhamento aos parafusos. Muitas montagens reais combinam ambos, razão pela qual os engenheiros usam fórmulas de interação quando cargas combinadas se aplicam.
Para fins de aquisição, a tabela de resistência à tração de parafusos é a referência principal. A capacidade de cisalhamento é então derivada desse valor, em vez de ser especificada independentemente na maioria das folhas de dados de parafusos.
Resistência ao Cisalhamento de Parafusos por Classe
A tabela abaixo mostra a resistência mínima à tração, a resistência ao cisalhamento derivada e as aplicações típicas para classes comuns de parafusos métricos e imperiais classes de parafusos. Os valores de cisalhamento são calculados em 60% da resistência mínima à tração.
| Grau | Padrão | Tração Mín. (MPa) | Cisalhamento Derivado (MPa) | Uso Típico |
|---|---|---|---|---|
| 4.8 | ISO 898-1 | 420 | 252 | Estrutural leve, montagem geral |
| 8.8 | ISO 898-1 | 800 | 480 | Aço estrutural, máquinas |
| 10.9 | ISO 898-1 | 1040 | 624 | Automotivo, máquinas pesadas |
| 12.9 | ISO 898-1 | 1220 | 732 | Montagens de alta carga, precisão |
| Classe 5 | SAE J429 | 827 | 496 | Industrial geral, imperial |
| Grau 8 | SAE J429 | 1034 | 620 | Estrutural, transmissão, alta tensão |
| A325 | ASTM F3125 | 827 | 496 | Conexões de aço estrutural |
| A490 | ASTM F3125 | 1034 | 620 | Estrutural pesado, pontes |
Esta tabela de resistência de parafusos abrange as classes mais usadas em aplicações industriais e estruturais.
Para uma tabela de resistência à tração de parafusos mais detalhada em todos os tamanhos e sub-classes, consulte a ISO 898-1 para classes métricas e a ASTM F3125 para classes estruturais imperiais.
Como Calcular a Resistência ao Cisalhamento de Parafusos
A fórmula básica para a capacidade de cisalhamento simples de um parafuso é:
Capacidade de Cisalhamento = 0,6 x Fub x As
Onde Fub é a resistência mínima à tração em MPa, e As é a área de seção transversal do parafuso em milímetros quadrados.
Exemplo
Um parafuso M16 Classe 10.9 tem uma área de seção transversal de 157 mm² e uma resistência mínima à tração de 1.040 MPa.
Capacidade de Cisalhamento = 0,6 x 1.040 x 157 = 97.968 N, aproximadamente 98 kN por parafuso.
Esse valor representa a capacidade teórica de cisalhamento simples de um parafuso antes da aplicação de qualquer fator de segurança.
No projeto estrutural, o Eurocode 3 aplica um fator de segurança parcial de 1,25. Isso reduz a resistência ao cisalhamento de projeto para aproximadamente 78 kN para este parafuso na prática.
Para parafusos imperiais, a mesma fórmula se aplica usando resistência à tração em libras por polegada quadrada (psi) e área de tensão em polegadas quadradas.
Um parafuso de 1/2 polegada Grau 8 com uma área de tensão de 0,1419 pol² e resistência à tração de 150.000 psi resulta em uma capacidade de cisalhamento simples de aproximadamente 0,6 x 150.000 x 0,1419 = 12.771 lbf. Isso é cerca de 12,8 kips.
Cisalhamento Simples vs. Cisalhamento Duplo
O número de planos de cisalhamento em uma junta altera significativamente a capacidade efetiva de cada parafuso.
Cisalhamento Simples
Em uma junta de cisalhamento simples, o parafuso cruza um plano de cisalhamento. Uma junta de sobreposição simples onde duas chapas se sobrepõem e são conectadas por parafusos é uma configuração típica de cisalhamento simples. Cada parafuso resiste à carga aplicada total em uma seção transversal.
Cisalhamento Duplo
Em uma junta de cisalhamento duplo, o parafuso passa por três chapas: um membro interno e dois externos.
Isso cria dois planos de cisalhamento, e o parafuso resiste à carga em duas seções transversais simultaneamente. Isso efetivamente dobra a capacidade de cisalhamento do parafuso para o mesmo diâmetro e grau do parafuso.
Conexões de chapa de reforço, juntas de pino de olhal e algumas conexões viga-coluna usam configurações de cisalhamento duplo para reduzir a contagem de parafusos ou permitir fixadores de diâmetro menor. Ao calcular a capacidade para cisalhamento duplo, multiplique o valor de cisalhamento simples por dois.
Como Selecionar a Classe de Parafuso Correta para Cargas de Cisalhamento
- Este parafuso de cubo de roda de grau 10.9 é fabricado em aço de alta resistência 40Cr ou 35CrMo, com um acabamento de óxido preto para uma excelente resistência à corrosão e robustez.
A seleção de um grau começa com o cálculo da carga de cisalhamento de projeto por parafuso, e então a correspondência com um grau que forneça capacidade adequada com o fator de segurança exigido aplicado.
Algumas diretrizes práticas ajudam a refinar a seleção:
Para conexões gerais de aço estrutural conforme AISC, os parafusos A325 ou A490 são o padrão. O A490 é adequado para conexões de alta carga onde o A325 exigiria mais parafusos.
Para aplicações estruturais métricas sob Eurocode 3, o Grau 8.8 cobre a maioria das conexões padrão. O Grau 10.9 é usado onde a geometria da junta limita a contagem ou o diâmetro dos parafusos.
Para automotivo e máquinas de precisão, parafusos de alta tração nos Graus 10.9 ou 12.9 lidam com ambientes intensivos em vibração. É aqui que graus inferiores exigiriam controle de torque mais apertado ou recursos de travamento para evitar afrouxamento.
O material importa além do número do grau. Parafusos de alta tração em aço inoxidável duplex ou aço liga são especificados onde resistência à corrosão e a capacidade de cisalhamento devem ser satisfeitas. Isso é particularmente em aplicações marítimas, químicas e de energia.
A CNXD fornece parafusos de alta resistência dos Graus 8.8 a 12.9 em aço carbono, aço liga e ligas especiais. Isso possui documentação de qualidade IATF 16949 e rastreabilidade completa do material.
Tamanhos personalizados e formas de rosca não padronizadas também estão disponíveis. Entre em contato com a CNXD para solicitar amostras para avaliação de aplicações de suporte de carga.
