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DISCIPLINA ESTRUTURAS METÁLICAS Professora Renata Gomes Lanna da Silva CURSO ENGENHARIA DE PRODUÇÃO CIVIL NOTAS DE AULA 1 Capítulo 1 Introdução Capítulo 2 Materiais estruturais Capítulo 3 Perfis estruturais do aço Capítulo 4 Ações segurança e desempenho estrutural Capítulo 6 Barras de aço tracionadas Capítulo 7 Barras de aço comprimidas Capítulo 8 Barras de aço fletidas Capítulo 9 Barras de aço sob atuação dos esforços combinados Editora Pearson Bibliografia adotada 2 DISCIPLINA ESTRUTURAS METÁLICAS CURSO ENGENHARIA DE PRODUÇÃO CIVIL INTRODUÇÃO Capítulo 1 3 Os elementos estruturais INTRODUÇÃO 4 Os aços estruturais são aqueles que devido a sua resistência ductilidade e outras propriedades são utilizados em elementos estruturais que suportam e transmitem os esforços INTRODUÇÃO O aço é uma liga de ferro e carbono com outros elementos adicionais como silício manganês fósforo enxofre etc O teor de carbono pode variar desde 0 ate 17 5 VANTAGENS DO AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Elevada resistência Material estrutural de maior índice de resistência resistência x peso específico Componentes de aço possuem menores dimensões que aqueles em outros materiais Adequada para obras com grandes vãos ou grandes alturas edifícios altos torres de transmissão de energia e de telecomunicações 6 VANTAGENS DO AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Elevada ductilidade Deformação antes do rompimento em torno de 15 a 40 Resistentes a choques bruscos Permite que pontos de alta tensão se redistribuam pelo corpo 7 VANTAGENS DO AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Aproximação entre a teoria e a prática Material homogêneo e praticamente isotrópico Características bem definidas Boa aproximação entre comportamento estrutural teórico e o prático Canteiro de obras menor limpo e organizado Dispensa escoramento e fôrmas Pouca estocagem no canteiro Redução de entulhos 8 VANTAGENS DO AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Facilidade de reforço e ampliação Reforço soldagem de chapas nas mesas de um pilar para aumentar sua capacidade de resistir às forças atuantes ou de perfil T sob viga em perfil I Ampliação ligação de nova viga por meio de parafusos a pilar existente 9 VANTAGENS DO AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Possibilidade de reaproveitamento Uma estrutura metálica com ligações aparafusadas e sem lajes de concreto pode ser desmontada Rapidez de execução Peças préfabricadas execução mais rápida Término da obra em prazo menor se comparado ao de obras convencionais 10 CUIDADOS COM O AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Corrosão O ferro constituinte do aço tende a retornar ao seu estado primitivo de minério ou seja combinar com os elementos presentes no meio ambiente O2 H2O formando óxido de ferro Há uma gradual redução das seções transversais dos componentes estruturais que reduz a resistência às tensões atuantes A proteção contra a corrosão é feita usualmente por pintura ou galvanização camada de Zinco sobre superfícies 11 CUIDADOS COM O AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Pintura consiste em criar uma barreira impermeável protetora na superfície exposta do aço através de aplicação de esmaltes vernizes tintas e plásticos 12 CUIDADOS COM O AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Galvanização processo de zincagem por imersão a quente que consiste na imersão da peça em um recipiente com zinco fundido a 460C Para garantir uma proteção ainda maior contra a corrosão costumase aplicar tintas sobre as superfícies zincadas 13 CUIDADOS COM O AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Comportamento em Situação de Incêndio As principais propriedades mecânicas do aço degeneramse consideravelmente em altas temperaturas Aumento de temperatura resistência ao escoamento e do módulo de elasticidade Reduções de resistência e rigidez podem provocar colapso em decorrência da estrutura perder a capacidade de suportar as ações atuantes Curva tensão x deformação para diversas temperaturas Fatores de redução da relação tensãodeformação do aço 14 CUIDADOS COM O AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Comportamento em Situação de Incêndio Temperatura crítica é aquela na qual se dá o colapso É de 500º C a 700º C para dimensionamentos sem folga 15 CUIDADOS COM O AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Proteção tipo contorno argamassa jateada em toda a superfície exposta dos elementos estruturais Proteção tipo caixa placas rígidas são montadas em volta dos elementos Tipo contorno Tipo caixa Proteção da estrutura para não atingir a temperatura crítica 16 CUIDADOS COM O AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Tinta intumescente para estrutura metálica aparente Película de 025 a 06 mm de espessura Quando submetida ao calor tem sua espessura aumentada entre 20 e 30 vezes Aspecto esponjoso material de proteção contra incêndio Permite que sobre ela seja aplicada uma pintura de acabamento 17 CUIDADOS COM O AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Uma maneira de reduzir o problema é o uso de aços resistentes ao fogo que em virtude de suas composições químicas apresentam degenerescência das propriedades mecânicas com a elevação da temperatura menos acentuada que a dos demais aços 18 DISCIPLINA ESTRUTURAS METÁLICAS CURSO ENGENHARIA DE PRODUÇÃO CIVIL MATERIAIS ESTRUTURAIS Capítulo 2 19 Ensaio de tração comportamento dos aços sob tensão normal PROPRIEDADES MECÂNICAS Propriedades físicas e mecânicas Esse ensaio é usado primariamente para determinar a relação entre a tensão normal média e a deformação normal média 20 Ensaio de tração comportamento dos aços sob tensão normal PROPRIEDADES MECÂNICAS 21 PROPRIEDADES MECÂNICAS Fase elástica Trecho reto da origem até o material atingir a resistência ao escoamento fy O material obedece a lei de Hooke as tensões são proporcionais às deformações sEe E constante módulo de elasticidade módulo de Young ou módulo de deformação longitudinal E200000 MPa Deformação atinge valores da ordem de 012 a 020 Deformação desaparece totalmente após descarregamento 22 PROPRIEDADES MECÂNICAS Fase Plástica Trecho do diagrama com tensão constante igual a fy com aumento de deformação atingindo valores entre 1 e 5 Trecho conhecido como patamar de escoamento Descarregamento ocorre segundo uma reta paralela a E Sempre restará uma deformação residual er 23 PROPRIEDADES MECÂNICAS Fase de Encruamento Após escoamento o material sofre um revigoramento que recebe a denominação de encruamento ou endurecimento A tensão volta a crescer com a deformação porém sem proporcionalidade O material atinge sua tensão mais elevada denominada resistência à ruptura fu A deformação correspondente varia de 10 a 30 24 PROPRIEDADES MECÂNICAS Fase de Estricção Depois de alcançar fu a área da seção transversal na região central do corpo de prova começa a se reduzir rapidamente em um fenômeno conhecido como estricção Ocorre uma queda no valor da força de tração aplicada até o rompimento do material sob deformação da ordem de 15 a 40 25 Compressão PROPRIEDADES MECÂNICAS Caso o CP fosse submetido à compressão as resistências teriam os mesmos valores absolutos do ensaio de tração Ao invés do aumento do comprimento da estricção e do rompimento ocorreriam redução do comprimento aumento de área da seção transversal e esmagamento por compressão respectivamente 26 Tensão de cisalhamento PROPRIEDADES MECÂNICAS Submetendose um CP à tensão de cisalhamento obtémse um diagrama tensãodeformação similar ao diagrama das tensões normais de tração G a inclinação do segmento reto denominado módulo de elasticidade transversal O valor de G pode ser obtido pelo diagrama ou pela teoria da elasticidade n coeficiente de Poisson n 03 em regime elástico G 77000 MPa 2 1 n E G 27 Tensão de cisalhamento PROPRIEDADES MECÂNICAS A resistência ao escoamento por cisalhamento fvy A resistência à ruptura ao cisalhamento fvu y vy f f 0 60 u vu f f 0 60 28 PROPRIEDADES FÍSICAS Massa específica do aço Peso específico do aço Dilatação térmica do aço 3 7850 kg m 3 77 kN m 1 12 10 6 C x 29 COMPOSIÇÃO QUÍMICA Aços estruturais possuem 95 de ferro em sua composição e carbono a uma porcentagem máxima de 029 Esses aços podem possuir outros elementos químicos para melhorar determinadas propriedades mecânicas ou a durabilidade do aço 30 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ESTRUTURAIS Os aços estruturais usados no Brasil em função da composição química são classificados em açoscarbono aços de baixa liga e alta resistência mecânica Esses aços podem possuir resistência à corrosão atmosférica normal ou superior à normal sendo neste último caso denominados aços resistentes à corrosão atmosférica Os açoscarbono e os aços de baixa liga e alta resistência mecânica podem ser resistentes ao fogo apresentam degeneração das propriedades mecânicas inferior a dos demais aços sob altas temperaturas Todos os aços supracitados possuem diagrama tensão x deformação com patamar de escoamento 31 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ESTRUTURAIS A ABNT NBR 88002008 exige que os aços estruturais possuam Resistência ao escoamento máxima de 450 MPa para assegurar a soldabilidade com o emprego de eletrodos utilizados normalmente na construção civil Relação mínima entre as resistências à ruptura e ao escoamento de 118 para assegurar que as prescrições de cálculo da norma relacionadas à propagação do escoamento antes da ruptura possam ser aplicadas 32 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ESTRUTURAIS Açoscarbono São os tipos mais usuais sendo que o aumento de resistência é obtido com o carbono entre 015 e 029 e com a adição de manganês porcentagem máxima de 15 Teor de carbono aumenta a resistência e a dureza reduz a ductilidade Aços de média resistência mecânica apresentam resistência ao escoamento mínima entre 230 MPa e 380 MPa e resistência à ruptura mínima entre 310 MPa e 480 MPa Aços mais usados ASTM A36 A570 33 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ESTRUTURAIS Aços de baixa liga e alta resistência mecânica Apresentam resistência ao escoamento mínima situada entre 290 MPa e 450 MPa e resistência à ruptura mínima entre 415 MPa e 550 MPa Apresentam teor de carbono entre 005 e 025 e de manganês inferior a 2 acrescidos de elementos de liga Silício níquel etc Têm propriedades mecânicas superiores às dos aços carbono com baixo custo de produção 34 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ESTRUTURAIS Aços resistentes à corrosão atmosférica Apresentam elementos como manganês cobre cromo níquel e nióbio em porcentagens adequadas de modo a terem resistência à corrosão atmosférica superior à normal Tais aços não são imunes à corrosão mas apresentam uma velocidade de corrosão perda de espessura com o tempo pelo menos 4 vezes inferior a dos demais 35 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ESTRUTURAIS Quando expostos ao clima uma camada de óxido compacta e aderente se desenvolve na superfície Essa camada funciona como barreira de proteção contra o prosseguimento do processo corrosivo possibilitando assim a utilização desses aços sem revestimento O tempo necessário para a formação da pátina proteção varia em função do tipo de atmosfera a que o aço está exposto sendo em geral de 18 meses a 3 anos Após um ano o material já apresenta a coloração marromclara Praça do PapaBH 36 AÇOS USADOS NO BRASIL Aços estruturais normatizados pela ABNT que atendem à NBR 8800 MR média resistência mecânica AR alta resistência mecânica COR resistência à corrosão atmosférica valores característicos 37 AÇOS USADOS NO BRASIL Aços estruturais normatizados pela ABNT que atendem à NBR 8800 MR média resistência mecânica AR alta resistência mecânica COR resistência à corrosão atmosférica valores característicos 38 AÇOS USADOS NO BRASIL Aços estruturais de especificação ASTM permitidos pela NBR 8800 1t corresponde à menor espessura da chapa ou à menor dimensão ou ao menor diâmetro da seção transversal da barra redonda lisa 2A relação fufynão pode ser inferior a 118 39 AÇOS USADOS NO BRASIL Aços estruturais de especificação ASTM permitidos pela NBR 8800 continuação 1t corresponde à menor espessura da chapa ou à menor dimensão ou ao menor diâmetro da seção transversal da barra redonda lisa 2A relação fufynão pode ser inferior a 118 ASTM American Society for Testing and Materials 40 AÇOS USADOS NO BRASIL Aços das siderúrgicas brasileiras 41 DISCIPLINA ESTRUTURAS METÁLICAS CURSO ENGENHARIA DE PRODUÇÃO CIVIL PERFIS ESTRUTURAIS DE AÇO Capítulo 3 42 PERFIS ESTRUTURAIS DE AÇO Considerações iniciais O Capítulo 3 apresenta os perfis estruturais de aço previstos pela ABNT NBR 88002008 mais utilizados na construção civil brasileira que podem ser classificados segundo o modo de obtenção como perfis laminados e perfis soldados Também serão feitas considerações relevantes sobre o aparecimento das tensões residuais e sua influência no comportamento dos perfis 43 Os perfis laminados são aqueles obtidos por meio de um processo de transformação mecânica chamado de laminação PERFIS LAMINADOS As chapas são obtidas a partir da laminação a quente de uma placa de dimensões maiores com temperatura geralmente superior a 1000 oC Os perfis de seções I H U e L são obtidos de forma similar às chapas mas a partir de blocos com o uso de cilindros de diâmetro variável para perfis I e H As barras redondas são geralmente obtidas a partir de tarugos com o emprego de cilindros com ranhuras 44 PERFIS LAMINADOS Perfis laminados produzidos no Brasil Chapas Perfis de seção aberta Perfis I de faces inclinadas Perfis U Perfis L cantoneiras Perfis I e H de faces paralelas Barras redondas Lisas Nervuradas 45 Chapas PERFIS LAMINADOS Grossas 475mm em forma de placas Finas 475 mm placas ou bobinas placas bobinas 46 Chapas PERFIS LAMINADOS Uma chapa é definida por meio do símbolo CH seguido da espessura em milímetros por exemplo CH 16 A espessura pode ser acompanhada pela largura e pelo comprimento da peça em mm por exemplo CH 16 x 500 x 2000 47 Perfis laminados de seção aberta PERFIS LAMINADOS 48 PERFIS LAMINADOS Perfis de seção aberta a Perfis I de faces inclinadas Apropriado para uso sob solicitação de flexão simples em relação ao eixo x Sua resistência à flexão em relação ao eixo y é reduzida Especificação Símbolo I seguido da altura d em mm e da massa por unidade de comprimento kgm Ex I 127 x 148 49 PERFIS LAMINADOS Perfis de seção aberta b Perfis I de faces paralelas São mais apropriados para uso sob solicitação de flexão simples em relação ao eixo x já que sua resistência à flexão em relação ao eixo y é relativamente pequena Especificação Símbolo W seguido da altura d em mm e da massa por unidade de comprimento kgm Ex W310x387 x y 50 PERFIS LAMINADOS Perfis de seção aberta c Perfis H de faces paralelas São mais apropriados para trabalhar como barras comprimidas especialmente como pilares Especificação Símbolo W ou HP seguido da altura d em mm e da massa por unidade de comprimento kgm Ex W 310 x 93 HP 250 x 85 y x 51 PERFIS LAMINADOS Perfis de seção aberta d Perfis U Empregado quando a solicitação de qualquer tipo é pequena Ex pilares de estruturas pouco carregadas componentes de treliça terças e travessas de tapamento degraus e longarinas de escadas Especificação Símbolo U seguido da altura d em mm e da massa por unidade de comprimento kgm Ex U 1524 x 122 52 PERFIS LAMINADOS Perfis de seção aberta e Cantoneiras Perfis L São perfis relativamente menos pesados usados principalmente como componentes de treliça e como elementos de contraventamento situações em que a solicitação predominante é de tração ou compressão axial Especificação Símbolo L seguido pelo comprimento das abas b e pela espessura t em mm Ex U 762 x 635 53 PERFIS LAMINADOS Barras redondas a Lisas São produzidas no Brasil com diâmetro de 635 mm a 889 mm Empregas como tirantes ou como elementos de contraventamento situações em que a solicitação atuante é de tração axial São fabricadas principalmente em aço ASTM A36 Especificação Símbolo seguido do diâmetro D em mm Ex 54 PERFIS LAMINADOS Barras redondas b Nervuradas São produzidas no Brasil com diâmetro entre 50 mm e 40 mm São geralmente utilizadas como armaduras em estruturas de concreto As nervuras proporcionam aderência adequada entre a barra e o concreto Especificação Símbolo seguido do diâmetro D em mm Ex 55 PERFIS SOLDADOS Os perfis soldados são formados por dois ou mais perfis laminados unidos continuamente entre si por solda elétrica Utilizados quando se necessita de seções transversais com dimensões maiores que as dos perfis laminados disponíveis ou para se obter uma forma especial de seção transversal em decorrência de exigências estruturais ou arquitetônicas 56 PERFIS SOLDADOS Perfis soldados a Série CS coluna soldada composta de perfis H duplamente simétricos alturalargura 1 apropriados para serem usados em barras predominantemente comprimidas axialmente Ex Pilares b Série VS viga soldada composta de perfis I duplamente simétricos alturalargura 4 apropriados para serem usados em barras predominantemente fletidas Ex Vigas 57 PERFIS SOLDADOS c Série CVS colunaviga soldada composta de perfis intermediários entre I e H duplamente simétricos apropriados para serem usados como barras submetidas a esforços combinados de flexão e compressão axial Ex Pilares de pórticos submetidos a ações vertical e lateral d Série VSM viga soldada mista composta de perfis do tipo I monossimétricos mesas com mesma largura mas espessuras diferentes apropriados para serem usados em barras predominantemente fletidas em que a tensão na mesa de menor área é inferior à da mesa de maior área Ex vigas 58 PERFIS SOLDADOS Os perfis soldados I e H devem ser especificados por meio do símbolo CS VS CVS e VSM no caso dos perfis padronizados ou PS e PSM no caso dos perfis de dimensões quaisquer seguido da altura em milímetros e da massa por unidade de comprimento em quilogramas por metro CS 500 x 253 VS 400 x 53 CVS 350 x 98 VSM 600 x 99 PS 500 x 147 PSM 400 x 52 Se as duas mesas forem iguais basta colocar altura x largura das mesas x espessura das mesas x espessura da alma I 500 x 300 x 16 x 8 59 TENSÕES RESIDUAIS NOS PERFIS Tensões residuais são tensões normais ou de cisalhamento que surgem nos perfis durante o seu resfriamento não uniforme decorrentes do processo de fabricação Tensões internas ou seja que não são causadas por ações externas e portanto com resultantes de força e momento nulas A distribuição e a intensidade das tensões normais residuais de uma barra dependem de vários fatores como Tipo e dimensões da seção transversal Velocidade de resfriamento etc 60 TENSÕES RESIDUAIS NOS PERFIS Nos perfis laminados as tensões normais residuais surgem quando o aço se resfria da temperatura de laminação para a temperatura ambiente Partes da seção transversal onde existe menor quantidade de material concentrado resfriam mais rápido que aquelas com maior quantidade de material Quando o resfriamento é finalizado aquelas partes que resfriaram primeiro ficam com tensões residuais de compressão e as partes que se resfriaram mais tarde ficam com tensões residuais de tração 61 TENSÕES RESIDUAIS NOS PERFIS A Região que resfria primeiro Região que resfria por último Região com redução de volume ao resfriar Região comprimida Região com redução de volume ao resfriar por último e que fica tracionada Região comprimida Origem das tensões normais residuais TENSÕES RESIDUAIS NOS PERFIS Distribuição típica em um perfil I laminado as regiões das extremidades das mesas e do centro da alma nas quais existe menor quantidade de material concentrado ficam comprimidas e as regiões das junções entre alma e mesas nas quais existe maior quantidade de material ficam tracionada 63 TENSÕES RESIDUAIS NOS PERFIS Perfis soldados Cortamse longitudinalmente as chapas a maçarico As regiões das bordas das chapas ficam aquecidas e têm o resfriamento completado por último e ficam tracionadas A região central fica comprimida A soldagem entre as chapas aquecem com mais intensidade as regiões próximas às soldas que ao se resfriarem após todo o restante da seção ficam tracionadas 64 TENSÕES RESIDUAIS NOS PERFIS Influência das tensões residuais no diagrama tensão deformação Em uma barra com tensões normais residuais o escoamento se inicia a uma tensão sp inferior à resistência ao escoamento fy obtido no ensaio de um corpo de prova sem tensões residuais Essa tensão em que o escoamento começa é a tensão normal causada pela força externa que somada ao máximo valor da tensão normal residual σr fornece uma tensão igual à resistência ao escoamento do aço fy 65 TENSÕES RESIDUAIS NOS PERFIS Essa tensão em que o escoamento se inicia é dada por r y p f s s sr na maioria dos perfis se situa entre 70 MPa e 140 MPa Aumentando a força externa o escoamento vai atingindo gradativamente toda a seção transversal da barra com as deformações crescendo de forma não linear com as tensões normais O escoamento se completa quando a tensão externa atuante se torna igual à resistência ao escoamento do aço fy 66 TENSÕES RESIDUAIS NOS PERFIS De maneira similar em uma barra com tensões residuais de cisalhamento o escoamento se inicia a uma tensão de cisalhamento tp igual à diferença entre a resistência ao escoamento fvy e a máxima tensão residual de cisalhamento r vy p f t t A máxima tensão de cisalhamento residual tr na maioria dos perfis usuais apresenta valores relativamente baixos situados entre 20 MPa e 40 MPa e dificilmente superiores a 20 da resistência ao escoamento por cisalhamento do aço 67 REFERÊNCIAS FAKURY R H SILVA A L R C CALDAS R B Dimensionamento Básico de Elementos de Estruturas de Aço Parte I 2011 PFEIL W PFEIL M Estruturas de Aço Dimensionamento Prático Segundo a NBR 88002008 8aed Rio de Janeiro LTC 2009 68
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DISCIPLINA ESTRUTURAS METÁLICAS Professora Renata Gomes Lanna da Silva CURSO ENGENHARIA DE PRODUÇÃO CIVIL NOTAS DE AULA 1 Capítulo 1 Introdução Capítulo 2 Materiais estruturais Capítulo 3 Perfis estruturais do aço Capítulo 4 Ações segurança e desempenho estrutural Capítulo 6 Barras de aço tracionadas Capítulo 7 Barras de aço comprimidas Capítulo 8 Barras de aço fletidas Capítulo 9 Barras de aço sob atuação dos esforços combinados Editora Pearson Bibliografia adotada 2 DISCIPLINA ESTRUTURAS METÁLICAS CURSO ENGENHARIA DE PRODUÇÃO CIVIL INTRODUÇÃO Capítulo 1 3 Os elementos estruturais INTRODUÇÃO 4 Os aços estruturais são aqueles que devido a sua resistência ductilidade e outras propriedades são utilizados em elementos estruturais que suportam e transmitem os esforços INTRODUÇÃO O aço é uma liga de ferro e carbono com outros elementos adicionais como silício manganês fósforo enxofre etc O teor de carbono pode variar desde 0 ate 17 5 VANTAGENS DO AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Elevada resistência Material estrutural de maior índice de resistência resistência x peso específico Componentes de aço possuem menores dimensões que aqueles em outros materiais Adequada para obras com grandes vãos ou grandes alturas edifícios altos torres de transmissão de energia e de telecomunicações 6 VANTAGENS DO AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Elevada ductilidade Deformação antes do rompimento em torno de 15 a 40 Resistentes a choques bruscos Permite que pontos de alta tensão se redistribuam pelo corpo 7 VANTAGENS DO AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Aproximação entre a teoria e a prática Material homogêneo e praticamente isotrópico Características bem definidas Boa aproximação entre comportamento estrutural teórico e o prático Canteiro de obras menor limpo e organizado Dispensa escoramento e fôrmas Pouca estocagem no canteiro Redução de entulhos 8 VANTAGENS DO AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Facilidade de reforço e ampliação Reforço soldagem de chapas nas mesas de um pilar para aumentar sua capacidade de resistir às forças atuantes ou de perfil T sob viga em perfil I Ampliação ligação de nova viga por meio de parafusos a pilar existente 9 VANTAGENS DO AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Possibilidade de reaproveitamento Uma estrutura metálica com ligações aparafusadas e sem lajes de concreto pode ser desmontada Rapidez de execução Peças préfabricadas execução mais rápida Término da obra em prazo menor se comparado ao de obras convencionais 10 CUIDADOS COM O AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Corrosão O ferro constituinte do aço tende a retornar ao seu estado primitivo de minério ou seja combinar com os elementos presentes no meio ambiente O2 H2O formando óxido de ferro Há uma gradual redução das seções transversais dos componentes estruturais que reduz a resistência às tensões atuantes A proteção contra a corrosão é feita usualmente por pintura ou galvanização camada de Zinco sobre superfícies 11 CUIDADOS COM O AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Pintura consiste em criar uma barreira impermeável protetora na superfície exposta do aço através de aplicação de esmaltes vernizes tintas e plásticos 12 CUIDADOS COM O AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Galvanização processo de zincagem por imersão a quente que consiste na imersão da peça em um recipiente com zinco fundido a 460C Para garantir uma proteção ainda maior contra a corrosão costumase aplicar tintas sobre as superfícies zincadas 13 CUIDADOS COM O AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Comportamento em Situação de Incêndio As principais propriedades mecânicas do aço degeneramse consideravelmente em altas temperaturas Aumento de temperatura resistência ao escoamento e do módulo de elasticidade Reduções de resistência e rigidez podem provocar colapso em decorrência da estrutura perder a capacidade de suportar as ações atuantes Curva tensão x deformação para diversas temperaturas Fatores de redução da relação tensãodeformação do aço 14 CUIDADOS COM O AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Comportamento em Situação de Incêndio Temperatura crítica é aquela na qual se dá o colapso É de 500º C a 700º C para dimensionamentos sem folga 15 CUIDADOS COM O AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Proteção tipo contorno argamassa jateada em toda a superfície exposta dos elementos estruturais Proteção tipo caixa placas rígidas são montadas em volta dos elementos Tipo contorno Tipo caixa Proteção da estrutura para não atingir a temperatura crítica 16 CUIDADOS COM O AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Tinta intumescente para estrutura metálica aparente Película de 025 a 06 mm de espessura Quando submetida ao calor tem sua espessura aumentada entre 20 e 30 vezes Aspecto esponjoso material de proteção contra incêndio Permite que sobre ela seja aplicada uma pintura de acabamento 17 CUIDADOS COM O AÇO COMO MATERIAL ESTRUTURAL Uma maneira de reduzir o problema é o uso de aços resistentes ao fogo que em virtude de suas composições químicas apresentam degenerescência das propriedades mecânicas com a elevação da temperatura menos acentuada que a dos demais aços 18 DISCIPLINA ESTRUTURAS METÁLICAS CURSO ENGENHARIA DE PRODUÇÃO CIVIL MATERIAIS ESTRUTURAIS Capítulo 2 19 Ensaio de tração comportamento dos aços sob tensão normal PROPRIEDADES MECÂNICAS Propriedades físicas e mecânicas Esse ensaio é usado primariamente para determinar a relação entre a tensão normal média e a deformação normal média 20 Ensaio de tração comportamento dos aços sob tensão normal PROPRIEDADES MECÂNICAS 21 PROPRIEDADES MECÂNICAS Fase elástica Trecho reto da origem até o material atingir a resistência ao escoamento fy O material obedece a lei de Hooke as tensões são proporcionais às deformações sEe E constante módulo de elasticidade módulo de Young ou módulo de deformação longitudinal E200000 MPa Deformação atinge valores da ordem de 012 a 020 Deformação desaparece totalmente após descarregamento 22 PROPRIEDADES MECÂNICAS Fase Plástica Trecho do diagrama com tensão constante igual a fy com aumento de deformação atingindo valores entre 1 e 5 Trecho conhecido como patamar de escoamento Descarregamento ocorre segundo uma reta paralela a E Sempre restará uma deformação residual er 23 PROPRIEDADES MECÂNICAS Fase de Encruamento Após escoamento o material sofre um revigoramento que recebe a denominação de encruamento ou endurecimento A tensão volta a crescer com a deformação porém sem proporcionalidade O material atinge sua tensão mais elevada denominada resistência à ruptura fu A deformação correspondente varia de 10 a 30 24 PROPRIEDADES MECÂNICAS Fase de Estricção Depois de alcançar fu a área da seção transversal na região central do corpo de prova começa a se reduzir rapidamente em um fenômeno conhecido como estricção Ocorre uma queda no valor da força de tração aplicada até o rompimento do material sob deformação da ordem de 15 a 40 25 Compressão PROPRIEDADES MECÂNICAS Caso o CP fosse submetido à compressão as resistências teriam os mesmos valores absolutos do ensaio de tração Ao invés do aumento do comprimento da estricção e do rompimento ocorreriam redução do comprimento aumento de área da seção transversal e esmagamento por compressão respectivamente 26 Tensão de cisalhamento PROPRIEDADES MECÂNICAS Submetendose um CP à tensão de cisalhamento obtémse um diagrama tensãodeformação similar ao diagrama das tensões normais de tração G a inclinação do segmento reto denominado módulo de elasticidade transversal O valor de G pode ser obtido pelo diagrama ou pela teoria da elasticidade n coeficiente de Poisson n 03 em regime elástico G 77000 MPa 2 1 n E G 27 Tensão de cisalhamento PROPRIEDADES MECÂNICAS A resistência ao escoamento por cisalhamento fvy A resistência à ruptura ao cisalhamento fvu y vy f f 0 60 u vu f f 0 60 28 PROPRIEDADES FÍSICAS Massa específica do aço Peso específico do aço Dilatação térmica do aço 3 7850 kg m 3 77 kN m 1 12 10 6 C x 29 COMPOSIÇÃO QUÍMICA Aços estruturais possuem 95 de ferro em sua composição e carbono a uma porcentagem máxima de 029 Esses aços podem possuir outros elementos químicos para melhorar determinadas propriedades mecânicas ou a durabilidade do aço 30 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ESTRUTURAIS Os aços estruturais usados no Brasil em função da composição química são classificados em açoscarbono aços de baixa liga e alta resistência mecânica Esses aços podem possuir resistência à corrosão atmosférica normal ou superior à normal sendo neste último caso denominados aços resistentes à corrosão atmosférica Os açoscarbono e os aços de baixa liga e alta resistência mecânica podem ser resistentes ao fogo apresentam degeneração das propriedades mecânicas inferior a dos demais aços sob altas temperaturas Todos os aços supracitados possuem diagrama tensão x deformação com patamar de escoamento 31 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ESTRUTURAIS A ABNT NBR 88002008 exige que os aços estruturais possuam Resistência ao escoamento máxima de 450 MPa para assegurar a soldabilidade com o emprego de eletrodos utilizados normalmente na construção civil Relação mínima entre as resistências à ruptura e ao escoamento de 118 para assegurar que as prescrições de cálculo da norma relacionadas à propagação do escoamento antes da ruptura possam ser aplicadas 32 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ESTRUTURAIS Açoscarbono São os tipos mais usuais sendo que o aumento de resistência é obtido com o carbono entre 015 e 029 e com a adição de manganês porcentagem máxima de 15 Teor de carbono aumenta a resistência e a dureza reduz a ductilidade Aços de média resistência mecânica apresentam resistência ao escoamento mínima entre 230 MPa e 380 MPa e resistência à ruptura mínima entre 310 MPa e 480 MPa Aços mais usados ASTM A36 A570 33 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ESTRUTURAIS Aços de baixa liga e alta resistência mecânica Apresentam resistência ao escoamento mínima situada entre 290 MPa e 450 MPa e resistência à ruptura mínima entre 415 MPa e 550 MPa Apresentam teor de carbono entre 005 e 025 e de manganês inferior a 2 acrescidos de elementos de liga Silício níquel etc Têm propriedades mecânicas superiores às dos aços carbono com baixo custo de produção 34 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ESTRUTURAIS Aços resistentes à corrosão atmosférica Apresentam elementos como manganês cobre cromo níquel e nióbio em porcentagens adequadas de modo a terem resistência à corrosão atmosférica superior à normal Tais aços não são imunes à corrosão mas apresentam uma velocidade de corrosão perda de espessura com o tempo pelo menos 4 vezes inferior a dos demais 35 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ESTRUTURAIS Quando expostos ao clima uma camada de óxido compacta e aderente se desenvolve na superfície Essa camada funciona como barreira de proteção contra o prosseguimento do processo corrosivo possibilitando assim a utilização desses aços sem revestimento O tempo necessário para a formação da pátina proteção varia em função do tipo de atmosfera a que o aço está exposto sendo em geral de 18 meses a 3 anos Após um ano o material já apresenta a coloração marromclara Praça do PapaBH 36 AÇOS USADOS NO BRASIL Aços estruturais normatizados pela ABNT que atendem à NBR 8800 MR média resistência mecânica AR alta resistência mecânica COR resistência à corrosão atmosférica valores característicos 37 AÇOS USADOS NO BRASIL Aços estruturais normatizados pela ABNT que atendem à NBR 8800 MR média resistência mecânica AR alta resistência mecânica COR resistência à corrosão atmosférica valores característicos 38 AÇOS USADOS NO BRASIL Aços estruturais de especificação ASTM permitidos pela NBR 8800 1t corresponde à menor espessura da chapa ou à menor dimensão ou ao menor diâmetro da seção transversal da barra redonda lisa 2A relação fufynão pode ser inferior a 118 39 AÇOS USADOS NO BRASIL Aços estruturais de especificação ASTM permitidos pela NBR 8800 continuação 1t corresponde à menor espessura da chapa ou à menor dimensão ou ao menor diâmetro da seção transversal da barra redonda lisa 2A relação fufynão pode ser inferior a 118 ASTM American Society for Testing and Materials 40 AÇOS USADOS NO BRASIL Aços das siderúrgicas brasileiras 41 DISCIPLINA ESTRUTURAS METÁLICAS CURSO ENGENHARIA DE PRODUÇÃO CIVIL PERFIS ESTRUTURAIS DE AÇO Capítulo 3 42 PERFIS ESTRUTURAIS DE AÇO Considerações iniciais O Capítulo 3 apresenta os perfis estruturais de aço previstos pela ABNT NBR 88002008 mais utilizados na construção civil brasileira que podem ser classificados segundo o modo de obtenção como perfis laminados e perfis soldados Também serão feitas considerações relevantes sobre o aparecimento das tensões residuais e sua influência no comportamento dos perfis 43 Os perfis laminados são aqueles obtidos por meio de um processo de transformação mecânica chamado de laminação PERFIS LAMINADOS As chapas são obtidas a partir da laminação a quente de uma placa de dimensões maiores com temperatura geralmente superior a 1000 oC Os perfis de seções I H U e L são obtidos de forma similar às chapas mas a partir de blocos com o uso de cilindros de diâmetro variável para perfis I e H As barras redondas são geralmente obtidas a partir de tarugos com o emprego de cilindros com ranhuras 44 PERFIS LAMINADOS Perfis laminados produzidos no Brasil Chapas Perfis de seção aberta Perfis I de faces inclinadas Perfis U Perfis L cantoneiras Perfis I e H de faces paralelas Barras redondas Lisas Nervuradas 45 Chapas PERFIS LAMINADOS Grossas 475mm em forma de placas Finas 475 mm placas ou bobinas placas bobinas 46 Chapas PERFIS LAMINADOS Uma chapa é definida por meio do símbolo CH seguido da espessura em milímetros por exemplo CH 16 A espessura pode ser acompanhada pela largura e pelo comprimento da peça em mm por exemplo CH 16 x 500 x 2000 47 Perfis laminados de seção aberta PERFIS LAMINADOS 48 PERFIS LAMINADOS Perfis de seção aberta a Perfis I de faces inclinadas Apropriado para uso sob solicitação de flexão simples em relação ao eixo x Sua resistência à flexão em relação ao eixo y é reduzida Especificação Símbolo I seguido da altura d em mm e da massa por unidade de comprimento kgm Ex I 127 x 148 49 PERFIS LAMINADOS Perfis de seção aberta b Perfis I de faces paralelas São mais apropriados para uso sob solicitação de flexão simples em relação ao eixo x já que sua resistência à flexão em relação ao eixo y é relativamente pequena Especificação Símbolo W seguido da altura d em mm e da massa por unidade de comprimento kgm Ex W310x387 x y 50 PERFIS LAMINADOS Perfis de seção aberta c Perfis H de faces paralelas São mais apropriados para trabalhar como barras comprimidas especialmente como pilares Especificação Símbolo W ou HP seguido da altura d em mm e da massa por unidade de comprimento kgm Ex W 310 x 93 HP 250 x 85 y x 51 PERFIS LAMINADOS Perfis de seção aberta d Perfis U Empregado quando a solicitação de qualquer tipo é pequena Ex pilares de estruturas pouco carregadas componentes de treliça terças e travessas de tapamento degraus e longarinas de escadas Especificação Símbolo U seguido da altura d em mm e da massa por unidade de comprimento kgm Ex U 1524 x 122 52 PERFIS LAMINADOS Perfis de seção aberta e Cantoneiras Perfis L São perfis relativamente menos pesados usados principalmente como componentes de treliça e como elementos de contraventamento situações em que a solicitação predominante é de tração ou compressão axial Especificação Símbolo L seguido pelo comprimento das abas b e pela espessura t em mm Ex U 762 x 635 53 PERFIS LAMINADOS Barras redondas a Lisas São produzidas no Brasil com diâmetro de 635 mm a 889 mm Empregas como tirantes ou como elementos de contraventamento situações em que a solicitação atuante é de tração axial São fabricadas principalmente em aço ASTM A36 Especificação Símbolo seguido do diâmetro D em mm Ex 54 PERFIS LAMINADOS Barras redondas b Nervuradas São produzidas no Brasil com diâmetro entre 50 mm e 40 mm São geralmente utilizadas como armaduras em estruturas de concreto As nervuras proporcionam aderência adequada entre a barra e o concreto Especificação Símbolo seguido do diâmetro D em mm Ex 55 PERFIS SOLDADOS Os perfis soldados são formados por dois ou mais perfis laminados unidos continuamente entre si por solda elétrica Utilizados quando se necessita de seções transversais com dimensões maiores que as dos perfis laminados disponíveis ou para se obter uma forma especial de seção transversal em decorrência de exigências estruturais ou arquitetônicas 56 PERFIS SOLDADOS Perfis soldados a Série CS coluna soldada composta de perfis H duplamente simétricos alturalargura 1 apropriados para serem usados em barras predominantemente comprimidas axialmente Ex Pilares b Série VS viga soldada composta de perfis I duplamente simétricos alturalargura 4 apropriados para serem usados em barras predominantemente fletidas Ex Vigas 57 PERFIS SOLDADOS c Série CVS colunaviga soldada composta de perfis intermediários entre I e H duplamente simétricos apropriados para serem usados como barras submetidas a esforços combinados de flexão e compressão axial Ex Pilares de pórticos submetidos a ações vertical e lateral d Série VSM viga soldada mista composta de perfis do tipo I monossimétricos mesas com mesma largura mas espessuras diferentes apropriados para serem usados em barras predominantemente fletidas em que a tensão na mesa de menor área é inferior à da mesa de maior área Ex vigas 58 PERFIS SOLDADOS Os perfis soldados I e H devem ser especificados por meio do símbolo CS VS CVS e VSM no caso dos perfis padronizados ou PS e PSM no caso dos perfis de dimensões quaisquer seguido da altura em milímetros e da massa por unidade de comprimento em quilogramas por metro CS 500 x 253 VS 400 x 53 CVS 350 x 98 VSM 600 x 99 PS 500 x 147 PSM 400 x 52 Se as duas mesas forem iguais basta colocar altura x largura das mesas x espessura das mesas x espessura da alma I 500 x 300 x 16 x 8 59 TENSÕES RESIDUAIS NOS PERFIS Tensões residuais são tensões normais ou de cisalhamento que surgem nos perfis durante o seu resfriamento não uniforme decorrentes do processo de fabricação Tensões internas ou seja que não são causadas por ações externas e portanto com resultantes de força e momento nulas A distribuição e a intensidade das tensões normais residuais de uma barra dependem de vários fatores como Tipo e dimensões da seção transversal Velocidade de resfriamento etc 60 TENSÕES RESIDUAIS NOS PERFIS Nos perfis laminados as tensões normais residuais surgem quando o aço se resfria da temperatura de laminação para a temperatura ambiente Partes da seção transversal onde existe menor quantidade de material concentrado resfriam mais rápido que aquelas com maior quantidade de material Quando o resfriamento é finalizado aquelas partes que resfriaram primeiro ficam com tensões residuais de compressão e as partes que se resfriaram mais tarde ficam com tensões residuais de tração 61 TENSÕES RESIDUAIS NOS PERFIS A Região que resfria primeiro Região que resfria por último Região com redução de volume ao resfriar Região comprimida Região com redução de volume ao resfriar por último e que fica tracionada Região comprimida Origem das tensões normais residuais TENSÕES RESIDUAIS NOS PERFIS Distribuição típica em um perfil I laminado as regiões das extremidades das mesas e do centro da alma nas quais existe menor quantidade de material concentrado ficam comprimidas e as regiões das junções entre alma e mesas nas quais existe maior quantidade de material ficam tracionada 63 TENSÕES RESIDUAIS NOS PERFIS Perfis soldados Cortamse longitudinalmente as chapas a maçarico As regiões das bordas das chapas ficam aquecidas e têm o resfriamento completado por último e ficam tracionadas A região central fica comprimida A soldagem entre as chapas aquecem com mais intensidade as regiões próximas às soldas que ao se resfriarem após todo o restante da seção ficam tracionadas 64 TENSÕES RESIDUAIS NOS PERFIS Influência das tensões residuais no diagrama tensão deformação Em uma barra com tensões normais residuais o escoamento se inicia a uma tensão sp inferior à resistência ao escoamento fy obtido no ensaio de um corpo de prova sem tensões residuais Essa tensão em que o escoamento começa é a tensão normal causada pela força externa que somada ao máximo valor da tensão normal residual σr fornece uma tensão igual à resistência ao escoamento do aço fy 65 TENSÕES RESIDUAIS NOS PERFIS Essa tensão em que o escoamento se inicia é dada por r y p f s s sr na maioria dos perfis se situa entre 70 MPa e 140 MPa Aumentando a força externa o escoamento vai atingindo gradativamente toda a seção transversal da barra com as deformações crescendo de forma não linear com as tensões normais O escoamento se completa quando a tensão externa atuante se torna igual à resistência ao escoamento do aço fy 66 TENSÕES RESIDUAIS NOS PERFIS De maneira similar em uma barra com tensões residuais de cisalhamento o escoamento se inicia a uma tensão de cisalhamento tp igual à diferença entre a resistência ao escoamento fvy e a máxima tensão residual de cisalhamento r vy p f t t A máxima tensão de cisalhamento residual tr na maioria dos perfis usuais apresenta valores relativamente baixos situados entre 20 MPa e 40 MPa e dificilmente superiores a 20 da resistência ao escoamento por cisalhamento do aço 67 REFERÊNCIAS FAKURY R H SILVA A L R C CALDAS R B Dimensionamento Básico de Elementos de Estruturas de Aço Parte I 2011 PFEIL W PFEIL M Estruturas de Aço Dimensionamento Prático Segundo a NBR 88002008 8aed Rio de Janeiro LTC 2009 68