Calculadora de Solda de Olhal (Padeye)

Por que o cálculo “rápido” de solda de olhal engana

Circula muito nas redes um exemplo simplificado: força de 50 kN, olhal de 80 mm de base e 20 mm de espessura, solda de filete contínua nos 200 mm de contorno, tensão admissível de 120 MPa. Dividindo força por tensão chega-se a uma área de 416,7 mm², garganta de 2,08 mm e a conclusão de “adotar filete de 4 mm de garganta”. A conta está certa — o modelo é que é incompleto.

Esse cálculo supõe que a carga é puramente vertical, centrada, estática e que todo o cordão trabalha igualmente ao cisalhamento. Um olhal real quase nunca é assim. Ele tem altura, logo a carga gera momento na base; a lingada raramente fica perfeitamente alinhada, logo aparece umacomponente fora do plano; e o içamento tem efeito dinâmico.

Rode a calculadora acima com os mesmos 50 kN e fator dinâmico 1,0, mas com apenas 5° fora do plano e ponto de aplicação a 100 mm da base: a garganta necessária sai de 2,08 mm para cerca de 4,17 mm — o dobro, com uma imperfeição de montagem que ninguém considera anormal. É por isso que olhal se calcula como grupo de solda submetido a esforço combinado, não como área simples.

O método usado nesta calculadora

O grupo de solda é tratado como uma linha (método consagrado por Blodgett e adotado na prática de projeto estrutural): calculam-se comprimento e módulos de resistência do contorno soldado com garganta unitária, obtém-se o esforço resultante em N/mm e só no final se converte em garganta e perna. As etapas são:

1. Carga de projeto: Fd = F × fator dinâmico.
2. Decomposição: Fz = Fd·cosβ·cosα (tração normal à base), Fx = Fd·cosβ·senα (no plano), Fy = Fd·senβ (fora do plano).
3. Propriedades do contorno soldado (solda em todo o contorno): Lw = 2(L + t), Sx = L·t + t²/3, Sy = t·L + L²/3.
4. Momentos na base: Mx = Fy·h e My = Fx·h.
5. Esforço por milímetro de solda: fz = Fz/Lw + Mx/Sx + My/Sy, fx = Fx/Lw, fy = Fy/Lw.
6. Resultante: fr = √(fz² + fx² + fy²).
7. Garganta necessária: a = fr / τadm; perna do filete de pernas iguais: z = a·√2 ≈ 1,41·a.

Repare no ponto crítico: o módulo Sx, que resiste ao momento fora do plano, depende daespessura do olhal. Um olhal de 20 mm tem braço de alavanca de apenas 10 mm para esse momento. É a direção mais fraca da junta e a que mais reprova em verificação — e a que o cálculo simplificado ignora por completo.

Tensão admissível: qual norma manda

A resistência nominal ao cisalhamento na garganta efetiva do filete é 0,60·FEXX(AISC 360, seção J2.4, onde FEXX é a resistência do metal de adição). O que muda entre critérios é o fator de segurança aplicado:

• AISC 360 – ASD: Ω = 2,00 → τadm = 0,30·FEXX (145,5 MPa para eletrodo E70XX).
• ASME BTH-1 (dispositivos de içamento abaixo do gancho) – Categoria de Projeto A: Nd = 2,00, usada quando as cargas e condições de uso são bem definidas.
• ASME BTH-1 – Categoria de Projeto B: Nd = 3,00, para condições de serviço severas ou indeterminadas — a maioria dos içamentos de campo.

A Categoria B não é preciosismo: é o reconhecimento normativo de que a carga real de içamento é incerta. Some a isso a Classe de Serviço (0 a 4) da BTH-1, que define a verificação à fadiga em função do número de ciclos — olhal de dispositivo usado diariamente não se dimensiona igual a olhal de içamento único de montagem.

A calculadora aplica a norma de forma conservadora em dois pontos: não usa o incremento direcional de resistência do AISC (1,0 + 0,50·sen^1,5θ), permitido quando a solicitação não é paralela ao eixo do cordão, e soma vetorialmente todas as parcelas no ponto mais solicitado.

Perna mínima e perna máxima: a norma manda antes do cálculo

Duas verificações independentes do esforço, que reprovam muito filete “calculado”:

• Perna mínima (AWS D1.1, tabela de tamanho mínimo de filete, em função da espessura da parte mais espessa da junta): 3 mm até 6 mm de espessura; 5 mm acima de 6 até 12 mm; 6 mm acima de 12 até 20 mm; 8 mm acima de 20 mm. Existe para garantir aporte térmico suficiente e evitar resfriamento brusco e trincas — não tem relação com a carga.
• Perna máxima ao longo de borda livre (AISC 360, J2.2b): igual à espessura da chapa se menor que 6 mm; espessura menos 2 mm nos demais casos.

No exemplo original, com chapa base de 25 mm, a perna mínima normativa é 8 mm — o dobro do “adotar 4 mm” do cálculo simplificado. O esforço não mandava; a norma mandava.

Não esqueça o metal base

Solda nenhuma é mais forte que o material em que ela se ancora. A calculadora verifica o cisalhamento no olhal (0,60·Fu/Ω = 0,30·Fu, AISC 360 J4.2). Além dessa, o projeto do olhal ainda precisa cobrir: pressão de contato e rasgamento no furo do pino, área líquida, dimensionamento do pino, flexão da chapa base, necessidade de reforço (bochechas) e — quando a chapa base é solicitada na direção da espessura — o risco de rasgamento lamelar, que pede material com ductilidade na direção Z (ASTM A770 / Z35) e, em muitos casos, ultrassom da chapa antes da soldagem.

Equipamentos críticos e óleo & gás: filete não resolve

Tudo acima vale para o dimensionamento de um filete. Mas há uma classe de aplicação em que o filete simplesmente não é a solução aceitável — e essa é a parte que o exemplo simplificado nunca conta.

Em equipamentos críticos, em olhais de içamento de carga viva e, sobretudo, emóleo e gás (onshore e offshore), o requisito contratual e normativo típico é que a solda do olhal seja de penetração total (CJP – complete joint penetration), com chanfro preparado, soldagem qualificada e inspeção volumétrica completa. Os motivos são técnicos, não burocráticos:

• Filete não é inspecionável por volume. A geometria do filete impede varredura ultrassônica confiável da raiz e inviabiliza radiografia interpretável. Não há como comprovar ausência de falta de fusão na raiz — exatamente onde a trinca nasce. Com penetração total, US e RX passam a ser aplicáveis.
• A raiz do filete é um entalhe embutido. Para carga cíclica e para carga de içamento (com componente dinâmica e reversão), a raiz não fundida funciona como trinca pré-existente, derrubando a categoria de fadiga da junta.
• Consequência de falha. Olhal que solta é carga em queda livre sobre pessoas e sobre equipamento pressurizado. O critério de projeto deixa de ser econômico e passa a ser de segurança de processo.

O pacote de ensaios não destrutivos usualmente exigido nesses casos:

• Ensaios de superfície — LP (líquido penetrante) ou PM (partículas magnéticas): 100% dos cordões, incluindo os pés de solda e as regiões de remoção de dispositivos provisórios. Em materiais ferromagnéticos, PM é o método preferido, por detectar também descontinuidades ligeiramente subsuperficiais. Em austeníticos e não ferrosos, LP.
• Ensaios volumétricos — US (ultrassom, convencional, phased array ou TOFD) ou RX (radiografia): 100% da solda de penetração total, para detectar falta de fusão, falta de penetração, trincas e inclusões internas.
• Ensaio após tratamento térmico e com tempo de espera (delay) quando o material é suscetível a trinca a frio induzida por hidrogênio — tipicamente 24 a 48 h após a soldagem em aços de maior resistência e maior espessura.
• END de remoção: ao cortar o olhal provisório, a região precisa ser esmerilhada até o metal base e reinspecionada por LP ou PM — corte rente e “deixa a marca” é fonte clássica de trinca no costado do equipamento.

Some a isso os requisitos que acompanham o pacote: EPS qualificada para a junta e a espessura reais, soldadores qualificados na posição de execução, controle de temperatura de pré-aquecimento e interpasse, consumíveis de baixo hidrogênio com controle de estufagem, tratamento térmico quando aplicável e, em serviço ácido, os limites de dureza de NACE MR0175 / ISO 15156. Quando o olhal é soldado ao costado de um vaso ou tubulação, a solda passa a integrar o escopo do código de projeto do equipamento (ASME VIII, ASME B31.3) e ainda entra em especificações de cliente, como as normas Petrobras de soldagem.

Checklist antes de liberar o desenho

1. A carga de projeto inclui fator dinâmico e fator de segurança do dispositivo?
2. Foi considerada componente fora do plano (mínimo usual de 5%, ou o ângulo real da lingada)?
3. O momento devido à altura do furo foi verificado no grupo de solda?
4. A perna atende ao mínimo normativo pela espessura da parte mais espessa?
5. A perna respeita o máximo em borda livre?
6. O metal base foi verificado (cisalhamento, área líquida, pressão no furo, rasgamento lamelar)?
7. A aplicação é crítica ou de óleo e gás? Se sim: penetração total, LP/PM e US/RX definidos em desenho e no plano de inspeção.
8. Há EPS/RQPS cobrindo a junta, a espessura e a posição? Há critério de aceitação declarado?

Esta calculadora é uma ferramenta de verificação rápida e de ensino. O cálculo final é responsabilidade do projetista, com base na edição vigente da norma aplicável e nos requisitos contratuais do projeto.