A INTERAÇÃO DAS FORÇAS NUMA UNIÃO APARAFUSADA

É naturalmente desejável que as uniões roscadas sejam fiáveis e não apresentem risco de se desapertarem espontaneamente. Para alcançar um elevado grau de fiabilidade, é extremamente importante compreender as forças presentes numa união aparafusada, uma vez que cada elemento da união influencia o resultado final.

Figura 1	Figura 2

Em termos simples, existem dois tipos possíveis de carga estática numa união aparafusada:

Sem força de aperto — a força é transmitida entre as placas através de pressões de contacto e de forças de corte no corpo do parafuso ou na rosca. As placas a unir deslocam-se uma em relação à outra até os furos encostarem ao corpo do parafuso ou à rosca. Neste caso, os parafusos são solicitados ao corte por uma carga transversal; consulte a figura 1.
Com uma elevada força de aperto — a força de aperto impede o deslocamento relativo das peças apertadas. A força é transmitida por atrito e os parafusos são sujeitos a tração por uma carga axial; consulte a figura 2. Para uniões em aço inoxidável, consulte o nosso guia sobre como evitar a gripagem de elementos de fixação em aço inoxidável.

Normalmente, o deslocamento relativo das peças a unir é indesejável.

Por conseguinte, deve ser aplicada uma força de aperto suficiente na união aparafusada. Esta força corresponde à pré-carga obtida depois de a porca ou o parafuso ter sido apertado.

A pré-carga que pode ser aplicada em segurança depende, entre outros fatores, da classe de resistência e da carga de prova do parafuso. A resistência do parafuso é determinada pelo tratamento térmico — saiba mais sobre o tratamento térmico dos elementos de fixação.

Se as forças que atuam sobre a estrutura mudarem regularmente de direção ou não forem constantes, a união é sujeita a uma carga dinâmica. Conforme explicado abaixo, a carga dinâmica pode provocar o desaperto das uniões aparafusadas ou a fratura dos parafusos.

Para que uma união cumpra corretamente a sua função, especialmente sob carga dinâmica, a força de aperto deve ser mantida.

ELASTICIDADE DE UMA UNIÃO ROSCADA

Ao projetar e executar uma união roscada, é muito importante compreender os seguintes aspetos:

Os parafusos e as peças unidas funcionam como um único sistema elástico. Os elementos apertados são comprimidos elasticamente, enquanto o parafuso se alonga durante a montagem. Se o parafuso se alongar ainda mais devido a uma carga externa, as peças apertadas recuperam elasticamente parte da sua deformação.
A força de tração no parafuso é igual à força de compressão exercida sobre os elementos apertados, conforme ilustrado na figura 3.

Figura 3

Equilíbrio de forças numa união aparafusada — diagrama que mostra que a força de tração no parafuso é igual à força de compressão exercida sobre os elementos apertados

A interação entre a força e a deformação é apresentada num triângulo força-deformação, conforme indicado no gráfico A abaixo. A linha 1 do gráfico mostra a deformação sofrida por um parafuso devido à força de tração. A linha 2 corresponde ao conjunto de peças apertadas, que se deforma sob a influência da força de compressão gerada pelo parafuso.

Triângulo força-deformação (gráfico A) — mostra a curva de alongamento do parafuso e a curva de compressão dos elementos apertados à força de aperto Fm

fsm = alongamento do parafuso devido à força de aperto Fm

fpm = compressão dos elementos apertados devido à força de aperto Fm

O gráfico acima mostra que, com uma força de aperto Fm, o alongamento do parafuso é igual a fsm e a compressão das peças apertadas é igual a fpm. Como os materiais e as configurações do parafuso e das peças apertadas são diferentes, fsm e fpm normalmente não são iguais.

Em seguida, é aplicada uma carga externa Fa à união aparafusada; consulte a figura 4.

Figura 4

Carga axial externa Fa aplicada a uma união aparafusada — mostra como a força externa atua sobre a união pré-carregada

Para representar esta força de tração externa Fa no gráfico A, esta deve ser posicionada entre as duas características de deformação. Se o parafuso se alongar devido à força externa, o material apertado recupera elasticamente a mesma quantidade de deformação; consulte o gráfico B.

Diagrama força-deformação com carga externa (gráfico B) — mostra o aumento da carga do parafuso Fsa, a redução da força de aperto Fpa e a força de aperto residual Fkr

Efeito de um parafuso elástico na distribuição de forças (gráfico C) — mostra que uma curva de deformação mais plana reduz o aumento da carga do parafuso sob uma força externa

Fm = força de aperto inicial na união

Fa = carga axial externa

Fpa = redução da força de aperto devido a Fa

Fsa = aumento da carga do parafuso devido a Fa

Fkr = força de aperto residual na união

Fs = carga total exercida sobre o parafuso

UM PARAFUSO MAIS ELÁSTICO PROVOCA UM MENOR AUMENTO DA CARGA DO PARAFUSO

Por um lado, Fa provoca uma redução da força de aperto, identificada como Fpa. Por outro lado, provoca um aumento da carga que atua sobre o parafuso, identificada como Fsa.

É desejável manter o aumento da carga do parafuso o mais baixo possível, não apenas para evitar a sua sobrecarga. Se a carga externa for dinâmica, o parafuso fica sujeito às variações de Fsa. Uma amplitude elevada de Fsa pode provocar rapidamente uma fratura por fadiga. Além disso, a força de aperto residual Fkr nunca deve atingir zero. Se isso acontecer, a união separa-se e deixa de funcionar corretamente.

O aumento da carga do parafuso Fsa pode ser limitado através da utilização de um parafuso mais elástico. Isto torna a curva de deformação do parafuso menos inclinada, permitindo que uma maior parte da força externa seja absorvida através de uma redução da força de aperto; consulte o gráfico C.

O mesmo efeito pode ser obtido através da utilização de materiais apertados muito rígidos. A curva de deformação dos materiais apertados torna-se mais inclinada e a maior parte da força externa é absorvida através de uma redução da força de aperto; consulte o gráfico D.

Efeito de materiais apertados rígidos na distribuição de forças (gráfico D) — mostra que uma curva mais inclinada do material absorve a força externa através da redução da força de aperto

Os materiais apertados mais rígidos provocam um menor aumento da carga do parafuso.

EM RESUMO

Especialmente sob carga dinâmica, é extremamente importante manter qualquer carga adicional sobre o parafuso o mais baixa possível, uma vez que pode ocorrer uma fratura súbita por fadiga.

Quando é aplicada uma carga externa, existem várias formas de limitar ao máximo a força adicional que atua sobre o parafuso:

Os elementos estruturais devem ser tão rígidos quanto possível.
A força de aperto deve ser tão elevada quanto for possível em segurança e deve permanecer superior à força externa de separação.
Podem ser utilizados parafusos mais elásticos. Selecione uma relação elevada entre o comprimento de aperto e o diâmetro, de pelo menos 5×D, escolha um maior comprimento roscado quando adequado e, se necessário, utilize um parafuso com haste reduzida. Para uniões sujeitas a cargas dinâmicas, consulte o nosso guia sobre métodos de bloqueio de elementos de fixação.

PARÂMETROS DE PROJETO DAS UNIÕES APARAFUSADAS

Parâmetro de projeto	Efeito sobre a carga do parafuso	Efeito sobre a força de aperto	Recomendação
Parafuso mais elástico com uma relação L/D superior	↓ Reduz a carga adicional do parafuso Fsa	↓ Maior redução da força de aperto Fpa	Utilize um comprimento de aperto de, pelo menos, 5×D.
Materiais apertados rígidos	↓ Reduzem a carga adicional do parafuso Fsa	↓ Maior redução da força de aperto Fpa	Utilize materiais rígidos, como aço ou ferro fundido, e evite juntas macias sempre que possível.
Pré-carga Fm mais elevada	Não altera a amplitude de Fsa para uma determinada rigidez da união	↑ Maior força de aperto residual Fkr	Quando o projeto da união e o método de aperto o permitirem, aperte até aproximadamente 90% da carga de prova do parafuso.
Diâmetro de haste reduzido	↓ Aumenta a elasticidade do parafuso	Consulte “parafuso mais elástico”	Utilize parafusos especificamente concebidos com uma haste reduzida. Quando adequado, um parafuso parcialmente roscado, como o DIN 931, pode apresentar uma secção lisa mais longa do que um parafuso DIN 933.
Maior comprimento roscado dentro do comprimento de aperto	↓ Aumenta a elasticidade do parafuso	Consulte “parafuso mais elástico”	Selecione um maior comprimento roscado quando o projeto da união e os requisitos de engate da rosca o permitirem.
Juntas ou anilhas macias	↑ Aumentam a variação da carga do parafuso	↑ Maior perda de pré-carga ao longo do tempo	Evite elementos macios sempre que possível. Se forem inevitáveis, considere a utilização de molas de prato e de um método de bloqueio adequado.
Carga dinâmica ou vibrações	↑ Aumenta o risco de fadiga	↓ Risco de perda total da força de aperto	Utilize uma solução de bloqueio adequada, como anilhas de bloqueio por cunha Nord-Lock ou roscas Spiralock. Consulte o nosso guia sobre métodos de bloqueio.

PERGUNTAS FREQUENTES SOBRE AS FORÇAS NAS UNIÕES APARAFUSADAS

O que é a pré-carga numa união aparafusada?

A pré-carga, identificada como Fm, é a força de aperto inicial criada quando um parafuso é apertado. Comprime as peças apertadas e alonga o parafuso, criando um sistema elástico que resiste às cargas externas. Sem uma pré-carga suficiente, as forças externas atuam mais diretamente sobre o parafuso, aumentando o risco de fratura por fadiga. Uma pré-carga insuficiente ou perdida está associada a aproximadamente 80% das fraturas de parafusos em serviço.

Porque é que as uniões aparafusadas se desapertam sob vibração?

As vibrações podem provocar microdeslizamentos entre as superfícies apertadas, reduzindo gradualmente a força de aperto ou a pré-carga. À medida que a força de aperto residual Fkr diminui, uma parte maior de cada ciclo de carga é transferida diretamente para o parafuso sob a forma de tensão variável. Quando Fkr atinge zero, a união pode separar-se. Os dispositivos de bloqueio, como as anilhas de bloqueio por cunha Nord-Lock ou as roscas Spiralock, ajudam a manter a pré-carga sob cargas dinâmicas. Consulte o nosso guia sobre métodos de bloqueio de elementos de fixação.

Como é que a elasticidade do parafuso afeta a vida útil à fadiga?

É possível obter um parafuso mais elástico através de uma relação superior entre o comprimento de aperto e o diâmetro, de pelo menos 5×D, de uma secção roscada mais longa dentro do comprimento de aperto ou de uma haste reduzida. No diagrama força-deformação, uma curva mais plana do parafuso significa que uma parte menor da força externa Fa se transforma num aumento da carga do parafuso Fsa. Uma vez que as variações de Fsa contribuem para a fadiga, a redução deste aumento pode prolongar a vida útil à fadiga do parafuso.

O que é a relação entre o comprimento de aperto e o diâmetro do parafuso e porque é importante?

A relação entre o comprimento de aperto e o diâmetro do parafuso, também designada relação L/D, corresponde à espessura total dos materiais apertados dividida pelo diâmetro nominal do parafuso. Recomenda-se uma relação mínima de 5:1, uma vez que torna o parafuso suficientemente elástico para suportar cargas externas sem variações excessivas de tensão. Os parafusos curtos com uma relação L/D baixa são relativamente rígidos e transferem uma parte maior da carga dinâmica diretamente para o parafuso.

Como escolher entre uma união aparafusada sujeita a corte e uma união sujeita a tração?

Nas uniões sujeitas a corte por carga transversal, a força é transmitida através do contacto do corpo do parafuso ou da rosca com a parede do furo. Isto pode exigir parafusos ajustados, furos com tolerâncias reduzidas ou furos mandrilados. Nas uniões sujeitas a tração por carga axial, a força de aperto gera atrito, impedindo o deslocamento das placas. As uniões de tração com uma elevada pré-carga são geralmente mais previsíveis, mais fáceis de projetar contra a fadiga e compatíveis com furos de passagem normalizados. Para ambientes corrosivos, consulte o nosso guia sobre elementos de fixação em aço inoxidável.

Última atualização: 12 de julho de 2026

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