Conceitos básicos estruturas de aço, Notas de aula de Estruturas Metálicas e Construção Mista

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Estruturas de Aço

UNIDADE I – Definições Básicas

(Parte I-A)

Belém-PA

Referências Bibliográficas

 Pfeil, W. & Pfeil M. Estruturas de aço – dimensionamento prático. 8ª ed. – Rio de Janeiro, editora LTC, 2009.  Pignatta e Silva,V. Estruturas de Aço. Apostila da matéria “Estruturas metálicas e de madeira – PEF 2402” do departamento de estruturas e geotécnica da EP/USP, 2012.  Ferreira, W. G., Dimensionamento de Elementos de Perfis da Aço Laminados e Soldados, Vitória, 2004.  Pinheiro, A. C. F. B., Estruturas Metálicas, Ed. Edgard Blücher, São Paulo, 2001  ABNT - NBR 8800. Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios.

Capítulo I: Definições Básicas

 1.5 Características do Material Aço: 1.5.1 Propriedades

Mecânicas de Projeto; 1.5.2 Ductilidade; 1.5.3 Fragilidade; 1.5.

Resiliência; 1.5.5 Tenacidade; 1.5.6 Dureza; 1.5.7 Fadiga; 1.5.

Temperatura; 1.5.9 Corrosão

 1.6 Valores Base de Resistências: 1.6.1 Aços Estruturais.

1.1 Introdução

 As primeiras obras de aço surgiram praticamente ao mesmo tempo em que se iniciou a produção industrial desse material. Existe registro da aplicação de aço na escadaria do museu do Louvre, em Paris por volta de 1780 e pouco tempo antes, em 1757, na Inglaterra, foi construída uma ponte em ferro fundido. Com o avanço no processo de fabricação do aço, por volta de 1880, já existia uma grande aplicação de aço na construção civil dos Estados Unidos. No Brasil, a primeira obra em estrutura metálica foi a ponte sobre o rio Paraíba do Sul, no estado do Rio de Janeiro, em 1857.

1.2 Fabricação de Aços Estruturais

 O aço é produzido, basicamente, a partir de minério de ferro, carvão e cal. A fabricação do aço pode ser dividida em quatro etapas: preparação da carga, redução, refino e laminação.  Preparação da carga: Grande parte do minério de ferro (finos) é aglomerada utilizando-se cal e finos de coque. O produto resultante é chamado de sinter. O carvão é processado na coqueria e transforma-se em coque.  Redução: Essas matérias-primas, agora preparadas, são carregadas no alto forno. Oxigênio aquecido a uma temperatura de 1000 ºC é soprado pela parte de baixo do alto forno. O carvão, em contato com o oxigênio, produz calor que funde a carga metálica e dá início ao processo de redução do minério de ferro em um metal líquido: o ferro-gusa. O gusa é uma liga de ferro e carbono com um teor de carbono muito elevado.

1.2 Fabricação de Aços Estruturais

 Refino: Aciarias a oxigênio ou elétricas são utilizadas para transformar o gusa líquido ou sólido e a sucata de ferro e aço em aço líquido. Nessa etapa parte do carbono contido no gusa é removido juntamente com impurezas. A maior parte do aço líquido é solidificada em equipamentos de lingotamento contínuo para produzir semiacabados, lingotes e blocos.  Laminação: Os semiacabados, lingotes e blocos são processados por equipamentos chamados laminadores e transformados em uma grande variedade de produtos siderúrgicos, cuja nomenclatura depende de sua forma e/ou composição química.

1.3 Requisitos para aços estruturais e

materiais de ligação

 1.3.1 Aços Estruturais: Para especificações mais detalhadas sobre aparência e acabamento de superfícies, deve ser consultada a ISO 8501-1. Os valores base de resistência para aços estruturais são definidos para a tensão de escoamento (fy) e para a tensão de ruptura (fu). Por exigência normativa, os valores da tensão de escoamento para aços estruturais e da relação entre as tensões última e de escoamento deve atender ao seguinte: fy ≤ 450MPa (1) fu / fy ≥ 1,18 (2) Não são relacionados os aços com resistência ao escoamento inferior a 250 MPa, por não estarem sendo utilizados na prática. Nos aços da ABNT NBR 7007, que são aços para perfis, a sigla MR significa média resistência mecânica, a sigla AR alta resistência mecânica e a sigla COR resistência à corrosão atmosférica.

1.3 Requisitos para aços estruturais e

materiais de ligação

 1.3.2 Materiais de ligação:  Parafusos: Os parafusos de aço de baixo teor de carbono devem satisfazer a ASTM A307 ou a ISO 898-1 Classe 4.6. Os parafusos de alta resistência devem satisfazer a ASTM A325 ou a ISO 4016 Classe 8.8. Os parafusos de aço-liga temperado e revenido devem satisfazer a ASTM A490 ou a ISO 4016 Classe 10.9. As porcas e arruelas devem satisfazer as especificações compatíveis, citadas no ANSI/AISC 360.  Eletrodos: Os eletrodos, arames e fluxos para soldagem devem obedecer às seguintes especificações: a) eletrodos de aço doce, revestidos, para soldagem por arco elétrico: AWS A5.1; b) eletrodos de aço de baixa liga, revestidos, para soldagem por arco elétrico: AWS A5.5;

1.4 Produtos Siderúrgicos e Nomenclatura

 Os aços estruturais são fornecidos em forma de perfis, chapas, barras, fios e cordoalhas. Sendo que os elementos estruturais das estruturas metálicas são constituídos primordialmente por perfis metálicos. Abaixo estão colocadas as principais características e sua nomenclatura em linhas gerais.  1.4.1 Barras: As barras são produtos obtidos por laminação nas seções: circular, quadrada ou retangular alongada (chamada “chata”). As barras são referidas pelo seu diâmetro ou pelas dimensões de sua seção transversal no caso das barras chatas.  Nomenclatura:

• Φ25: indica barra com diâmetro 25 mm.
• 127 x 6,4: indica barra chata com seção 127 mm por 6,4 mm (5”x 1/4”).

1.4 Produtos Siderúrgicos e Nomenclatura

 1.4.2 Chapas: As chapas também são elementos laminados com espessuras variadas e resistências variadas. As chapas finas são as que tem espessuras de até 5,0 mm, acima desse valor estão as chapas grossas. A nomenclatura das chapas é feita em função da espessura ou de sua resistência.  Nomenclatura:

• CH 8, indica chapa com 8,0 mm de espessura;
• CG-26, aços comuns, chapa grossa com fy=255 MPa e fu=410 MPa;
• CF-26, aços comuns, chapa fina com fy=260 MPa e fu=400 MPa;
• G-35, aços de baixa liga e alta resistência mecânica, chapa grossa, fy= MPa e fu=450 MPa;
• F-35, aços de baixa liga e alta resistência mecânica, chapa fina, fy= MPa e fu=450 MPa.

1.4 Produtos Siderúrgicos e Nomenclatura

 A nomenclatura dos perfis I ou S, H, C ou U segue certa regra, onde é fornecida a indicação da forma do perfil seguida de sua altura total (d, em mm) e de sua massa linear (kg/m). Por vezes, a referência à altura do perfil e a sua massa linear é arredondada nos nomes de perfis das tabelas, de modo que deve-se consultar os valores exatos nas próprias tabelas. Existem diversos complementos possíveis e algumas nomenclaturas alternativas, como W, HP, HPP. Os perfis cantoneira, L, podem seguir a mesma regra anterior, porém é mais comum utilizar nomenclatura própria, assim como os trilhos.Tubulares são definidos pelo diâmetro ou dimensões dos lados.  Nomenclatura:

• H 102x20,5: perfil H (I com lados iguais), com d =101,6 mm e massa linear 20,5 kg/m. Note que na nomenclatura o h é arredondado;

1.4 Produtos Siderúrgicos e Nomenclatura

 Nomenclatura:

• I 127 x 22,0: perfil I, com d = 127,0 mm e massa linear 22,0 kg/m;
• U 203 x 20,5: perfil U ou C (Channel), com d = 203,2 mm e massa linear 20,5 kg/m;
• W 250x38,5: perfil tipo I, com d = 262 mm e massa linear 38,5 kg/m. Note que na nomenclatura o d é bem diferente da sigla, mas faz parte da mesma categoria de perfisW 250xXX;
• HP 310x110: perfil tipo I, com d = 308,0 mm e massa linear 110,0 kg/m;
• L 102 x 6,4: cantoneira de abas iguais com lado 102,0 mm e espessura 6, mm; – L 89 x 64 X 6,4 - cantoneira de abas desiguais, com lados 89,0 e 64, mm, e espessura 6,4 mm;
• TR-50: trilho ferroviário tipo americano AREA 100RE com massa linear 50,0 kg/m.

1.4 Produtos Siderúrgicos e Nomenclatura

 1.4.5 Perfis Dobrados: As chapas metálicas de aços dúcteis podem ser dobradas a frio, transformando-se em perfis de chapas dobradas. A dobragem das chapas é feita em prensas especiais nas quais há gabaritos que limitam os raios internos de dobragem a certos valores mínimos, especificado para impedir a fissuração do aço na dobra.  O uso de chapas finas (em geral menos que 3 mm de espessura) na fabricação desses perfis conduz a problemas de instabilidade estrutural não existentes em perfis laminados. Há uma grande variedade de perfis que podem ser fabricados, muitos com apenas um eixo de simetria ou nenhum, alguns simples, outros mais complexos.  Normas de projeto específica para esse tipo de perfil metálico foram desenvolvidas, como a do American Iron and Steel Institute (AISI) e a norma brasileira NBR 14762, Dimensionamento de Estruturas de Aço Constituídas de Perfis Formados a Frio.

1.5 Características do Material Aço

 A aplicação de um ou de outro material no sistema estrutural é precedida por uma avaliação das características de cada sistema, optando pelo mais adequado à situação considerada. Podem ser citadas algumas vantagens e desvantagens gerais do uso do material aço em construções civis.  Vantagens do Material:

• Alta resistência do material, que possibilita a execução de estruturas comparativamente leves;
  • Processo de fabricação garante dimensões e propriedades homogêneas para o material e para as peças fabricadas;
• Por tratar-se de estrutura com características de pré-fabricação, a sua aplicação em campo é rápida e limpa. Possibilidade de reduções em cronogramas;
• Flexibilidade de aplicação em situações especiais, tais como: reformas, reforços, canteiros exíguos ou estruturas temporárias.