1. Geral
1.1. O método das tensões nominais
A vida útil de cálculo é prevista pelo método das tensões nominais, de acordo com EN 1993-1-9: 2005, como:
onde:
- – valores extremos de tensão
- – valor característico da gama de tensões nominais
- – coeficiente parcial de segurança, para estes cálculos
- – valor de cálculo da gama de tensões nominais
- – resistência de referência, para todos os cálculos
- – valor de referência da resistência à fadiga retirado do Quadro 8.1–8.10 da EN 1993-1-9:2005
- – declive da curva de resistência à fadiga, para todos os cálculos
1.2. Tensão pelo modelo analítico
A tensão calculada a partir da combinação de ações é obtida por:
onde:
- – valor extremo da força axial
- – área da secção transversal de uma chapa
1.3. Modelo numérico
Os modelos de Método dos Elementos Finitos são preparados no Ansys 19.1 utilizando o elemento sólido n.º 181. O tamanho da malha é . Os modelos CBFEM são realizados no IDEA StatiCa versão 22.1 com elementos de casca de quatro nós. São utilizadas as definições de malha predefinidas, sendo o tamanho mínimo da malha de 10 mm e o máximo de 50 mm.
2. Ligação cruciforme com soldadura de filete transversal
2.1. Descrição
Uma ligação cruciforme soldada de três chapas é criada por soldaduras de filete com uma espessura de garganta de 6 mm. As dimensões das chapas são 50x16 mm, em aço de grau S450; ver Fig. 1. A ligação é carregada por força de tração.

Fig. 1: Ligação cruciforme soldada
Esta ligação corresponde ao pormenor construtivo 1 do Quadro 8.5 da EN 1993-1-9:2005. A categoria de pormenor para , ou seja, , é 80.
2.2. Modelo analítico
Para esta ligação, a área da secção transversal da chapa é . Os resultados do modelo analítico são apresentados no Quadro 1.
Quadro 1: Resultados da solução analítica AM
| [kN] | [kN] | [MPa] | [MPa] | [MPa] | [MPa] | [-] |
| 85.3 | 8.53 | 106.7 | 10.7 | 96 | 110.4 | 7.61E+05 |
| 105.8 | 10.58 | 132.2 | 13.2 | 119 | 136.9 | 4E+05 |
| 127.1 | 12.71 | 158.9 | 15.9 | 143 | 164.5 | 2.3E+05 |
| 148.4 | 14.84 | 185.6 | 18.6 | 167 | 192.1 | 1.45E+05 |
| 169.8 | 17 | 212.2 | 21.2 | 191 | 219.7 | 9.66E+04 |
2.3. Modelos numéricos
As secções de fadiga são criadas utilizando secções de soldadura a uma distância do pé da soldadura para evitar a influência da concentração de tensão da geometria local da soldadura (). Os resultados da solução numérica utilizando o Método dos Elementos Finitos e o CBFEM são apresentados nos Quadros 2 e 3.
Quadro 2. Resultados da solução numérica – Método dos Elementos Finitos
| [kN] | [kN] | [MPa] | [MPa] | [MPa] | [MPa] | [-] |
| 85.3 | 8.53 | 106.8 | 10.7 | 96.1 | 110.6 | 7.58E+05 |
| 105.8 | 10.58 | 132.6 | 13.3 | 119.3 | 137.2 | 3.96E+05 |
| 127.1 | 12.71 | 159.3 | 15.9 | 143.4 | 164.9 | 2.28E+05 |
| 148.4 | 14.84 | 185.5 | 18.6 | 166.9 | 192 | 1.45E+05 |
| 169.8 | 17 | 212.1 | 21.2 | 190.9 | 219.6 | 9.67E+04 |
Quadro 3. Resultados da solução numérica – CBFEM
| [kN] | [kN] | [MPa] | [MPa] | [MPa] | [MPa] | [-] |
| 85.3 | 8.53 | 108.7 | 10.9 | 97.8 | 112.5 | 7.2E+05 |
| 105.8 | 10.58 | 134.7 | 13.5 | 121.2 | 139.4 | 3.78E+05 |
| 127.1 | 12.71 | 161.9 | 16.2 | 145.7 | 167.6 | 2.18E+05 |
| 148.4 | 14.84 | 189.1 | 18.9 | 170.2 | 195.7 | 1.37E+05 |
| 169.8 | 17 | 216 | 21.6 | 194.4 | 223.6 | 9.16E+04 |
2.4. Verificação
O cálculo numérico CBFEM é verificado em modelos analíticos e numéricos de Método dos Elementos Finitos de acordo com a gama de tensões e a resistência à fadiga; ver Fig. 2. O valor médio da diferença das gamas de tensões é de cerca de 2%.

Fig. 2: Comparação dos valores de vida útil de cálculo NR
2.5. Exemplo de referência
Dados de entrada
Chapas:
- Aço S450
- Chapa 50 × 16 mm
Soldadura:
- Espessura de garganta = 6 mm
Efeitos das ações:
Resultados
- Tensão normal mínima:
- Tensão normal máxima:
- Valor característico da gama de tensões nominais:
- Valor de cálculo da gama de tensões nominais:
- Valor de referência da resistência à fadiga:
- Declive da curva de resistência à fadiga:
- Vida útil de cálculo

Fig. 3: Valor característico da gama de tensões nominais
3. Ligação cruciforme de uma chapa com duas chapas transversais
3.1. Descrição
Uma ligação cruciforme soldada com duas chapas transversais é criada por soldaduras de filete com uma espessura de garganta de 4 mm; ver Fig. 4. As dimensões das chapas são 90x10 mm. São fabricadas em aço de grau S235. A ligação é carregada por força de tração.

Fig. 4: Ligação cruciforme soldada com duas chapas transversais
De acordo com a EN 1993-1-9: 2005, esta ligação corresponde ao pormenor construtivo 6 do Quadro 8.4. A sua categoria de pormenor é 80 porque , ou seja, .
3.2. Modelos analítico e numérico
A área da secção transversal da chapa, para este cálculo analítico, é A = 900 mm2. As secções de fadiga são criadas utilizando secções de soldadura a uma distância do pé da soldadura para evitar a influência da concentração de tensão da geometria local da soldadura . Os resultados do modelo analítico AM, do modelo sólido de Método dos Elementos Finitos e do modelo de casca CBFEM são apresentados no Quadro 4.
Quadro 4: Resultados das soluções
| AM | FEM | CBFEM | |||||
| [kN] | [kN] | [MPa] | [-] | [MPa] | [-] | [MPa] | [-] |
| 99 | 9 | 115 | 6.73E+05 | 115.5 | 6.64E+05 | 115.9 | 6.57E+05 |
| 108.9 | 9 | 127.7 | 4.92E+05 | 128 | 4.88E+05 | 128.7 | 4.81E+05 |
| 118.8 | 9 | 140.3 | 3.71E+05 | 140.7 | 3.68E+05 | 141.5 | 3.62E+05 |
| 128.7 | 9 | 153 | 2.86E+05 | 153.4 | 2.84E+05 | 154.2 | 2.79E+05 |
| 144 | 9 | 172.5 | 1.99E+05 | 173 | 1.98E+05 | 173.9 | 1.95E+05 |
3.3. Verificação
O cálculo numérico CBFEM é verificado em modelos analíticos e numéricos de Método dos Elementos Finitos de acordo com a gama de tensões e a resistência à fadiga, ver Quadro 4 e Fig. 5. A diferença máxima e média de tensões é inferior a 1%.

Fig. 5: Comparação dos valores de vida útil de cálculo NR
3.4. Exemplo de referência
Dados de entrada
Chapas:
- Aço S235
- Chapa 90 × 10 mm
Soldadura:
- Espessura de garganta = 4 mm
Efeitos das ações:
Resultados
- Tensão normal mínima:
- Tensão normal máxima:
- Valor característico da gama de tensões nominais:
- Valor de cálculo da gama de tensões nominais:
- Valor de referência da resistência à fadiga:
- Declive da curva de resistência à fadiga:
- Vida útil de cálculo
4. Ligação em T soldada com chapa longitudinal
4.1. Descrição
Uma chapa longitudinal com as dimensões 100 x 8 mm é soldada a uma chapa com as dimensões 40 x 8 mm por soldaduras de filete com uma espessura de garganta de 4 mm; ver Fig. 6. Ambas as chapas são de aço de grau S355. A ligação é carregada por força de tração.

Fig. 6: Ligação em T soldada com chapa longitudinal
De acordo com a EN 1993-1-9:2005, esta ligação corresponde ao pormenor construtivo 1 do Quadro 8.4. A sua categoria de pormenor é 63 porque , ou seja, .
4.2. Modelos analítico e numérico
A área da secção transversal da chapa, para este cálculo analítico, é A = 320 mm2. As secções de fadiga são criadas utilizando um plano de trabalho a uma distância de 40 mm do pé da soldadura para evitar a influência da concentração de tensão da geometria local da soldadura. Os resultados do modelo analítico AM, do modelo sólido de Método dos Elementos Finitos e do modelo de casca CBFEM são apresentados no Quadro 5.
Quadro 5: Resultados das soluções
| AM | FEM | CBFEM | |||||
| [kN] | [kN] | [MPa] | [-] | [MPa] | [-] | [MPa] | [-] |
| 34 | 3.4 | 110.0 | 3.76E+05 | 129.4 | 2.31E+05 | 110.2 | 3.74E+05 |
| 37.5 | 3.8 | 121.3 | 2.8E+05 | 142.6 | 1.72E+05 | 121.2 | 2.81E+05 |
| 41.7 | 4.2 | 134.7 | 2.05E+05 | 158.6 | 1.25E+05 | 135.0 | 2.03E+05 |
| 44.5 | 4.5 | 143.8 | 1.68E+05 | 169.1 | 1.03E+05 | 143.9 | 1.68E+05 |
| 49.8 | 5.0 | 161.0 | 1.2E+05 | 189.4 | 7.36E+04 | 161.2 | 1.19E+05 |
4.3. Verificação
O cálculo numérico CBFEM é verificado em modelos analíticos e numéricos de Método dos Elementos Finitos de acordo com a gama de tensões e a vida útil de cálculo à fadiga, ver Quadro 5 e Fig. 7. A diferença máxima e média de tensões em relação ao modelo analítico é de cerca de 1%. A diferença entre o Método dos Elementos Finitos e o CBFEM é maior devido à diferença entre o modelo sólido e o modelo de casca e à forma como a excentricidade é tida em conta.

Fig. 7: Comparação dos valores de vida útil de cálculo NR
4.4. Exemplo de referência
Dados de entrada
Chapas:
- Aço S355
- Chapa 40 × 8 mm
- Chapa 100 × 8 mm
Soldadura:
- Espessura de garganta da soldadura = 4 mm
Efeitos das ações:
Resultados
- Tensão normal mínima:
- Tensão normal máxima:
- Valor característico da gama de tensões nominais:
- Valor de cálculo da gama de tensões nominais:
- Valor de referência da resistência à fadiga:
- Declive da curva de resistência à fadiga:
- Vida útil de cálculo
5. Ligação em T soldada com chapa transversal
5.1. Descrição
Uma ligação em T soldada com uma chapa de dimensões 50 x 12 mm e uma chapa transversal de dimensões 50x10 mm são fabricadas em aço de grau S355 por soldaduras de filete, espessura de garganta 5 mm; ver Fig. 8. A ligação é carregada por força de tração.

Fig. 8. Ligação em T soldada com chapa transversal
De acordo com a EN 1993-1-9: 2005, esta ligação corresponde ao pormenor construtivo 6 do Quadro 8.4. A sua categoria de pormenor é 80 porque , ou seja, .
5.2. Modelos analítico e numérico
A área da secção transversal da chapa, para este cálculo analítico, é A = 600 mm2. As secções de fadiga são criadas utilizando secções de soldadura a uma distância de 5t do pé da soldadura para evitar a influência da concentração de tensão da geometria local da soldadura (). Os resultados do modelo analítico AM, do modelo sólido de Método dos Elementos Finitos e do modelo de casca CBFEM são apresentados no Quadro 6.
Quadro 6: Resultados das soluções
| AM | FEM | CBFEM | |||||
| [kN] | [kN] | [MPa] | [-] | [MPa] | [-] | [MPa] | [-] |
| 94.1 | 9.4 | 162.3 | 2.39E+05 | 155.0 | 2.75E+05 | 162.8 | 2.37E+05 |
| 117.8 | 11.8 | 203.2 | 1.22E+05 | 194.0 | 1.4E+05 | 203.8 | 1.21E+05 |
| 140.7 | 14.1 | 242.8 | 7.16E+04 | 231.8 | 8.23E+04 | 243.3 | 7.11E+04 |
| 152.0 | 15.2 | 262.2 | 5.68E+04 | 250.3 | 6.53E+04 | 263.0 | 5.63E+04 |
| 160.0 | 16.0 | 276.0 | 4.87E+04 | 263.5 | 5.6E+04 | 276.9 | 4.82E+04 |
5.3. Verificação
O cálculo numérico CBFEM é verificado em modelos analíticos e numéricos de Método dos Elementos Finitos de acordo com a gama de tensões e a vida útil à fadiga, ver Fig. 9 e Quadro 6. A diferença máxima e média de tensões em relação ao modelo analítico é de cerca de 1%. Neste caso, a excentricidade não tem grande influência; a diferença entre o Método dos Elementos Finitos e o CBFEM é de cerca de 5%.

Fig. 9: Comparação dos valores de vida útil de cálculo NR
5.4. Exemplo de referência
Dados de entrada
Chapas:
- Aço S355
- Chapa 50 × 12 mm
- Chapa transversal 50 × 10 mm
Soldadura:
- Espessura de garganta = 5 mm
Efeitos das ações:
Resultados
- Tensão normal mínima:
- Tensão normal máxima:
- Valor característico da gama de tensões nominais:
- Valor de cálculo da gama de tensões nominais:
- Valor de referência da resistência à fadiga:
- Declive da curva de resistência à fadiga:
- Vida útil de cálculo
Os exemplos de verificação foram preparados por Kirill Golubiatnikov na Universidade Técnica Checa em Praga.
