A abordagem convencional do comportamento em fadiga dos parafusos desconsidera o material a ser unido (os membros). Uma conexão parafusada, entretanto, deve ser analisada como um sistema completo, levando em consideração as características dos fixadores: porca, parafuso e arruelas, bem como o material a ser fixado. Neste trabalho foi analisado, através de ensaios cíclicos, o comportamento em fadiga de duas espécies de materiais fixados: aço e alumínio; e o agente de variação da tensão média foi o torque aplicado. Foram realizadas análises a partir de uma amostragem de parafusos convencionais ISO M6X1 para averiguar a confiabilidade da amostra. Tais análises consistiram em ensaios estáticos de tração, ensaios de dureza, análises químicas e microestruturais. Posteriormente foram construídas as curvas de Wöhler advindas de ensaios de fadiga realizados através de um dispositivo especial, construído de modo a possibilitar uma montagem com aplicação de torque. O valor da tensão induzida pela fixação foi obtida a partir das medidas de deformação dos parafusos. A conclusão básica deste trabalho foi que maiores valores de torque determinam maior vida em fadiga de uma união, independentemente do material fixado. Por outro lado, trabalhando-se no regime elástico, é possível dimensionar um parafuso a partir do conhecimento da solicitação externa a ser aplicada e da natureza dos materiais fixados. / The traditional approach to fatigue behavior of mechanical fasteners disregards the material of the joint to be fastened. A bolted joint, however, must be examined as a complete system, the characteristics of the fastening system, bolt, nut and washer, as well as, the clamped material should be considered. In this work the fatigue behavior of two clamped materials: steel and aluminum; and different preload conditions were studied. Conventional threaded ISO M6X1 screws were used in this study. To assure sample reliability tensile tests, hardness, chemical composition and microestrutural analysis were performed on screws from the same lot used for this work. A series of Wöhler curves, stress vs. number of cycles to failures, were plotted from data obtained using an special accessory that allowed a different preload to be applied on the screws for each test condition. The stress applied on the screw was calculated from the strain observed on the bolt. The main conclusion of this work was that higher torque resulted in an increment in the fatigue life of mechanically fastened joint, regardless of the clamped material. In the elastic regime, the design of a bolted joint is possible knowing the external loads applied to the system and the nature of the material to be clamped.

A abordagem convencional do comportamento em fadiga dos parafusos desconsidera o material a ser unido (os membros). Uma conexão parafusada, entretanto, deve ser analisada como um sistema completo, levando em consideração as características dos fixadores: porca, parafuso e arruelas, bem como o material a ser fixado. Neste trabalho foi analisado, através de ensaios cíclicos, o comportamento em fadiga de duas espécies de materiais fixados: aço e alumínio; e o agente de variação da tensão média foi o torque aplicado. Foram realizadas análises a partir de uma amostragem de parafusos convencionais ISO M6X1 para averiguar a confiabilidade da amostra. Tais análises consistiram em ensaios estáticos de tração, ensaios de dureza, análises químicas e microestruturais. Posteriormente foram construídas as curvas de Wöhler advindas de ensaios de fadiga realizados através de um dispositivo especial, construído de modo a possibilitar uma montagem com aplicação de torque. O valor da tensão induzida pela fixação foi obtida a partir das medidas de deformação dos parafusos. A conclusão básica deste trabalho foi que maiores valores de torque determinam maior vida em fadiga de uma união, independentemente do material fixado. Por outro lado, trabalhando-se no regime elástico, é possível dimensionar um parafuso a partir do conhecimento da solicitação externa a ser aplicada e da natureza dos materiais fixados. / The traditional approach to fatigue behavior of mechanical fasteners disregards the material of the joint to be fastened. A bolted joint, however, must be examined as a complete system, the characteristics of the fastening system, bolt, nut and washer, as well as, the clamped material should be considered. In this work the fatigue behavior of two clamped materials: steel and aluminum; and different preload conditions were studied. Conventional threaded ISO M6X1 screws were used in this study. To assure sample reliability tensile tests, hardness, chemical composition and microestrutural analysis were performed on screws from the same lot used for this work. A series of Wöhler curves, stress vs. number of cycles to failures, were plotted from data obtained using an special accessory that allowed a different preload to be applied on the screws for each test condition. The stress applied on the screw was calculated from the strain observed on the bolt. The main conclusion of this work was that higher torque resulted in an increment in the fatigue life of mechanically fastened joint, regardless of the clamped material. In the elastic regime, the design of a bolted joint is possible knowing the external loads applied to the system and the nature of the material to be clamped.

A abordagem convencional do comportamento em fadiga dos parafusos desconsidera o material a ser unido (os membros). Uma conexão parafusada, entretanto, deve ser analisada como um sistema completo, levando em consideração as características dos fixadores: porca, parafuso e arruelas, bem como o material a ser fixado. Neste trabalho foi analisado, através de ensaios cíclicos, o comportamento em fadiga de duas espécies de materiais fixados: aço e alumínio; e o agente de variação da tensão média foi o torque aplicado. Foram realizadas análises a partir de uma amostragem de parafusos convencionais ISO M6X1 para averiguar a confiabilidade da amostra. Tais análises consistiram em ensaios estáticos de tração, ensaios de dureza, análises químicas e microestruturais. Posteriormente foram construídas as curvas de Wöhler advindas de ensaios de fadiga realizados através de um dispositivo especial, construído de modo a possibilitar uma montagem com aplicação de torque. O valor da tensão induzida pela fixação foi obtida a partir das medidas de deformação dos parafusos. A conclusão básica deste trabalho foi que maiores valores de torque determinam maior vida em fadiga de uma união, independentemente do material fixado. Por outro lado, trabalhando-se no regime elástico, é possível dimensionar um parafuso a partir do conhecimento da solicitação externa a ser aplicada e da natureza dos materiais fixados. / The traditional approach to fatigue behavior of mechanical fasteners disregards the material of the joint to be fastened. A bolted joint, however, must be examined as a complete system, the characteristics of the fastening system, bolt, nut and washer, as well as, the clamped material should be considered. In this work the fatigue behavior of two clamped materials: steel and aluminum; and different preload conditions were studied. Conventional threaded ISO M6X1 screws were used in this study. To assure sample reliability tensile tests, hardness, chemical composition and microestrutural analysis were performed on screws from the same lot used for this work. A series of Wöhler curves, stress vs. number of cycles to failures, were plotted from data obtained using an special accessory that allowed a different preload to be applied on the screws for each test condition. The stress applied on the screw was calculated from the strain observed on the bolt. The main conclusion of this work was that higher torque resulted in an increment in the fatigue life of mechanically fastened joint, regardless of the clamped material. In the elastic regime, the design of a bolted joint is possible knowing the external loads applied to the system and the nature of the material to be clamped.

Estruturas aeronáuticas e aeroespaciais, por limitações de tamanho, acesso e manufatura dentre outros, são compostas em muitas de suas partes por juntas mecânicas que dão integridade ao conjunto. Em geral, há juntas do tipo metal/metal, metal/compósito e compósito/compósito. Quando sob esforço mecânico de tração pode ocorrer falha por esmagamento na região do orifício de fixação, ou por cisalhamentos, até ruptura de partes da junta. Os fatores que afetam o comportamento das juntas são geométricos, como diâmetro do orifício e distância de borda, e intrínsecos ao compósito, como o tipo de reforço (tecido ou fita), quantidade e orientações das camadas. Há ainda fatores de processo, como furação, e o ambiente, como umidade e temperatura. Assim, um dos meios de certificar uma junta estrutural é por meio de testes de esmagamento. O presente trabalho teve por objetivo avaliar o comportamento de esmagamento em juntas do tipo compósito/compósito e compósito/metal quando submetidas à tração. Nas configurações de juntas do tipo compósito/metal, a parte metálica corresponde a uma chapa de alumínio. Primeiramente foram avaliadas juntas obtidas a partir de compósitos de tecido e de compósitos de fita, com os reforços de fibras de carbono orientados a 0, 30, 45, 60 e 90 em relação à direção do carregamento (configurações de referência). A partir dos resultados da carga de esmagamento das configurações de referência, foram calculadas as cargas de esmagamento para outras configurações de junta, envolvendo arranjos de tecidos e/ou fitas. Valores estimados para juntas com os compósitos obtidos com tecidos atingiram valores de carga de esmagamento equivalentes a 90% dos valores experimentais ( 5000 N para prendedor de 5/32 e 6000 N para prendedor de 3/16). Por outro lado, os valores estimados para juntas com os compósitos obtidos com fita atingiram valores de carga de esmagamento equivalentes a no máximo 60% dos valores experimentais ( 1700 N para prendedor de 5/32 e 2200 N para prendedor de 3/16). Compósitos obtidos exclusivamente com fitas orientadas a 0 ou exclusivamente a 90 não são adequados para uso em juntas porque o modo de falha tende a ser por cisalhamento ou por tração simples, resultando em baixa carga de ruptura. Compósitos obtidos com combinações de tecidos e fitas não resultam em estimativas precisas de carga ao esmagamento, se as fitas são posicionadas com orientações a 0 e/ou a 90.

A indústria automobilística trabalha com diferentes tipos de revestimentos para elementos de fixação (porcas, parafusos e etc.) buscando alta resistência à corrosão com baixas espessuras, eliminar o risco de fragilização pelo hidrogênio e melhoria nas propriedades tribológicas. O trabalho tem como objetivo determinar a influência das interações entre o tratamento superficial dos fixadores e das contra-peças na variação dos coeficientes de atrito atuantes no processo de montagem. A variação do coeficiente de atrito tem grande importância na força de montagem, uma vez que, para um mesmo torque e quanto maior o atrito, menor será a força tensora. Pela realização de ensaios no Equipamento de Torque e Tensão, obtêm-se os dados de força de tensora, torque total, torque na face de assentamento da flange da porca, torque na rosca e os respectivos coeficientes de atrito. Com os dados dos coeficientes de atrito obtidos dos ensaios com diferentes revestimentos e contra-peças, é possível determinar para cada junta aparafusada específica que variação ocorre e qual deve ser a alteração necessária a fim de manter a dispersão da força de montagem (força tensora). Após a realização dos ensaios e apresentação dos dados é possível avaliar que o revestimento organometálico mais selante possui maior compatibilidade em superfícies sem revestimento. Em superfícies que são revestidas em KTL essa compatibilidade reduz significativamente, mas com a adição do óleo controlador de atrito torque'n tension a condição é revertida para valores bem próximos de uma superfície sem revestimento.

A fixação de estruturas e equipamentos aeronáuticos por meio de juntas aparafusadas é amplamente utilizada e requer bastante cuidado de projeto. Quanto à carga de trabalho, existem dois tipos de juntas aparafusadas: juntas de cisalhamento e juntas de tração. O escopo deste trabalho restringe-se somente ao estudo do segundo tipo de junta, onde os parafusos são predominantemente tracionados em sua condição de trabalho. Uma junta aparafusada tem a função de resistir aos carregamentos de operação e manter o aperto do parafuso por toda sua vida em serviço. Para isso, é necessário um adequado dimensionamento dos parafusos. A determinação da pré-carga de aperto é a base do cálculo da maioria dos conceitos de cálculo deste tipo de união. Uma das principais incertezas no dimensionamento de uma junta fixada por parafusos é a determinação do coeficiente de rigidez dos componentes sob compressão nesta união (com placas e arruelas). Através dos coeficientes de rigidez dos componentes de uma junta é possível entender a sua distribuição de carga, resistência, vida em fadiga, etc. Baseado na importância deste tipo de aplicação na engenharia aeronáutica, o presente trabalho tem como objetivo: 1. apresentar um critério de cálculo para juntas aparafusadas em aplicações aeronáuticas; 2. revisar as principais referências usadas no cálculo e dimensionamento de juntas rigidamente fixadas por parafusos; e 3. propor o método dos elementos fininitos (MEF) de modo a determinar a rigidez dos componentes de uma junta aparafusada, que pode ser muito útil para juntas com graus de complexidade geométrica. Para o estudo da rigidez de juntas, relizado neste trabalho, utiliza-se do método da energia considerando a montagem de uma junta aparafusada como um sistema conservativo. Os coeficientes de rigidez de placas e parafuso são calculados com base na energia de deformação de cada um destes componentes para uma dada carga no parafuso. Em primeira análise, o MEF é proposto no estudo das variações geométricas das placas (espessura e largura). Os resultados obtidos são comparados às teorias de cálculo de rigidez convencionais. Com esta comparação é possivel avaliar a aplicação do método de cálculo proposto com as principais referências convencionais. O segundo estudo utiliza o MEF em uma aplicação de junta aparafusada não convencional. Nesta junção, as placas são de alumínio, e o parafuso é feito de aço. Entre a cabeça e a porca do parafuso apresenta-se uma bucha de uma liga de cobre e berílio. Esta bucha trabalha junto com as placas em compressão pela carga de aperto, e a sua presença causa incertezas no uso dos métodos de cálculos convencionais de rigidez. Neste estudo, é possível comparar o método com resultados de equações embasadas em experimentos neste tipo de montagem. Como último estudo, avalia-se a rigidez de três configurações de juntas, diferentes em relação às cabeças de parafuso. Esta avaliação usa apenas os recursos numéricos como exemplo de aplicação do método apresentado, que tem como proposta investigar os efeitos dos diferentes tipos de cabeças de parafusos na rigidez das placas sob compressão.

Ligas de alumínio são extensamente usadas em partes aeronáuticas devido às boas propriedades mecânicas e baixa densidade. Estas partes devem ser unidas para formar conjuntos maiores. Uma junta estrutural é definida como um segmento de estrutura que provê um meio de transferir carga de um elemento estrutural para outro. A maioria das juntas aeronáuticas é mecanicamente fixada com múltiplos prendedores (parafusos ou rebites). Estas juntas apresentam uma alta concentração de tensões ao redor do prendedor, porque a transferência de carga entre elementos da junta acontece em uma fração da área disponível. Por outro lado, as cargas aplicadas em juntas adesivas são distribuídas sobre toda a área colada e reduz os pontos de concentração de tensão. Juntas são a fonte mais comum de falhas estruturais em aeronaves e quase todos os reparos envolvem juntas. Portanto, é importante entender todos os aspectos de projeto e análise de juntas. O objetivo deste trabalho é comparar juntas estruturais de ligas de Al2024-T3 em três condições: juntas mecanicamente rebitadas, juntas coladas e uma configuração híbrida rebitada e colada. Foi usada a norma NASM 1312-4 para confecção dos corpos-de-prova. Além disso, foram conduzidos testes de fadiga, sob amplitude de carregamento constante e relação de tensão igual a 0.1, para avaliar a eficiência dos elementos estruturais durante sua vida em serviço. Os resultados mostraram que a configuração híbrida apresenta maior resistência estática e uma vida em fadiga superior às demais configurações.

In this study, endurance tests were conducted in bolted joints to plot S-N curves. The bolts tested were the M8, class 8.8 of three different lengths, 45, 60 and 80 mm. A device was machined to support cyclic axial load to carry on the endurance tests. Tensile tests were conducted on the bolts in order to establish its mechanical properties. For the performance of the endurance tests, it was applied a preloading equal to 90% of the yield strength. Hence, the stiffness was calculated according to different existing theories. Also, it was calculated the alternate stress and stress amplitude on the bolt. The obtained endurance limits results, as well as the calculated stiffness, alternate stress and stress amplitude were compared with results achieved in similar studies. Moreover, it were developed axysimmetric computational models of the 45 and 80 mm bolted joints, with the aim of verifying the stress level carried by the bolt when it is submitted to the pre load. The results showed a maximum stress 10% higher on the 45 mm bolted joint. / Neste estudo foram realizados ensaios de resistência à fadiga em parafusos M8, classe 8.8 de três diferentes comprimentos, 45, 60 e 80 mm. Foi fabricado um dispositivo para aplicação do carregamento axial cíclico para realização dos ensaios de fadiga. Foram realizados ensaios de tração nos parafusos a fim de se estabelecer suas propriedades mecânicas. Para a realização dos ensaios de fadiga, foi aplicada uma pré carga de aperto nos parafusos equivalente à 90% da tensão de escoamento. Foi feito o cálculo da rigidez do parafuso e dos membros da junta parafusada levando em consideração diversas teorias existentes. Também foi realizado o cálculo da tensão alternada e da amplitude de tensão atuantes no parafuso. Os limites de resistência à fadiga obtidos, bem como as rigidezes e tensões calculadas, foram comparados com trabalhos correlatos. Foram desenvolvidos modelos computacionais axisimetricos das juntas parafusadas de 45 e 80 mm para verificar o nível de tensão atuante quando estas são submetidas à pré carga. Obteve-se uma tensão máxima 10% maior no parafuso de 45 mm.

Orientador: Fernando de Azevedo Silva / Resumo: As uniões parafusadas possuem uma grande aplicação na indústria, mas quando se pensa na utilização de parafusos existe uma impressão de ser um elemento de simples dimensionamento e de fácil aplicação. No entanto, o desenvolvimento de uniões por parafusos possui uma complexa sistemática de cálculo e sua montagem requer um cuidado para proporcionar o torque correto e consequentemente a pré-carga ideal. O intuito do trabalho foi a análise da pré-carga de uniões parafusadas a partir do torque de aperto. Para isso foi desenvolvido um torquímetro instrumentado com extensômetros para a aquisição do torque aplicado, foi desenvolvida também uma célula de carga para a aquisição da pré-carga aplicada na junta parafusada. Ambos os sinais foram aquisitados instantaneamente e a partir destes sinais foram feitas as análises das uniões parafusadas. Foram analisadas três condições diferentes de lubrificação para o parafuso e porca, estas foram: com lubrificação, sem lubrificação e lubrificação seca (grafite). Foram analisadas também duas condições de aplicação de torque, estas foram: torque pela porca e torque pelo parafuso. Portanto, foram analisados seis grupos diferentes de uniões parafusadas. Para cada um dos grupos foram aplicados 3 torqueamentos para cada conjunto de parafuso, porca e arruela, simulando três situações de montagem e desmontagem. Ao final foram feitas considerações sobre a influência das diferentes condições de lubrificação no torque aplicado e na pré-carga gerada na junt... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Bolted joints are broadly used in the industry, but when it comes to their use there is a false impression of being a simple component, of easy dimensioning and easy application. However, designing bolted joints requires a complex calculus systematic and its assembly requires attention in order to apply the correct torque and consequently the ideal pre-load. The purpose of this dissertation was to analyze the pre-load of bolted joints from the tightening torque. Therefore, it was developed a torque wrench with strain gauges to measure the applied torque, and also developed a load cell to collect the pre-load onto the bolted joint. Both signals were instantaneous collected, and from this data, analysis were made over the bolted joints. Three different lubrication conditions for bolt and nut were analyzed: with and without lubrication and dry lubrication (graphite). Two torque application conditions were analyzed: the torque onto the nut and onto the bolt. Therefore, six different groups of bolted joints were analyzed. For each group of bolt, nut and washer, it was applied three torques simulating three assembly and disassembly operations. At the end, considerations were made on the influence of the different lubrication conditions on the applied torque and the generated pre-load onto the bolted joint, and the influence of successive torques on a bolted joint. Torque and friction coefficient tables were generated for all the above mentioned six groups / Mestre