Estruturas de aço_aula1

3.391 visualizações

Publicada em

1 comentário
8 gostaram
Estatísticas
Notas
Sem downloads
Visualizações
Visualizações totais
3.391
No SlideShare
0
A partir de incorporações
0
Número de incorporações
4
Ações
Compartilhamentos
0
Downloads
0
Comentários
1
Gostaram
8
Incorporações 0
Nenhuma incorporação

Nenhuma nota no slide

Estruturas de aço_aula1

  1. 1. Estruturas de AçoProfa. Aldecira Gadelha, M.Sc.
  2. 2. Considerações básicas:● O aço é basicamente uma liga de ferro com baixo teor decarbono (<1,7%) e outros elementos químicos queaparecem com impurezas ou são adicionados parafornecer propriedades desejadas.● Estas adições também são feitas de baixasporcentagens, por exemplo: manganês 1,65%, cobre0,60%, etc.
  3. 3. Obtenção do aço:● Para produzir aço, parte do ferro, que é encontrado nanatureza em forma de óxido e, na operação denominadaredução é transformado em metal.● A operação de redução consiste em fornecer calor aominério de ferro, que combina o oxigênio existente nassuas moléculas com carbono de carvão utilizado naqueima, deixando como produto, nos altos fornos ou emfornos de redução direta, o metal básico ferro (ferro gusa).
  4. 4. Obtenção do aço:● A seguir, o ferro gusa é transformado em aço mediante apassagem de ar ou oxigênio puro no seu interior,possibilitando a combinação com carbono existente.● Ao mesmo tempo podem ser adicionados outroselementos (silício, manganês, fósforo, enxofre, etc.),gerando-se assim os mais diversos tipos de aço.
  5. 5. Obtenção do aço:● Outro processo utilizado consiste em fundir sucata deferro em um forno elétrico.● Após esta transformação, o aço pode ser moldado naforma de chapas, barras, perfis, tubos, etc., num processochamado de laminação.
  6. 6. Classificação:a) Segundo o teor de Carbono:
  7. 7. Classificação:b) Aços estruturais:
  8. 8. I) Aço-carbono:● É o aço mais indicado para estruturas metálicas, pois é fácilde ser encontrado em todas as bitolas.● Como exemplo de aço carbono fabricado no Brasil, o ASTMA-36 ou simplesmente A-36.● Numa terminologia menos técnica pode-se interpretar o açoA-36 como aço comum.● Os aços carbono apresentam taxas que variamaproximadamente de 0,15% a 1,7% de carbono.
  9. 9. Tipos de Aço-carbono:
  10. 10. Classificação:b) Aços estruturais:● São aços de resistência mecânica mais elevadas,possibilitando, assim, redução do peso próprio daestrutura.● Este tipo de aço tem também elevada resistência àoxidação, não necessitando qualquer pintura de proteção.
  11. 11. II) Aços de baixa liga e alta resistênciamecânica e à corrosão● Devem ser utilizados em obras especiais tais como viadutosou estruturas de grandes vãos, onde a redução do peso éimportante. Evidentemente, são perfis de custo mais elevadoque os comuns.● As usinas nacionais produzem aço de alta resistênciamecânica e à corrosão atmosférica, com os seguintes nomescomerciais:
  12. 12. II) Aços de baixa liga e alta resistênciamecânica e à corrosão● Exemplo de aço de alta resistência:ASTM A-242, fabricado pela CSN, sob onome comercial de aço COR-TEN.● O aço de alta resistência, do tipo CORTEN (ou similar)possui tensão de escoamento de 350 MPa.
  13. 13. Tipos de aços de baixa liga e alta resistênciamecânica e à corrosão:
  14. 14. Estruturas MetálicasClassificação:b) Aços estruturais:Tanto os aços-carbono quanto os de baixa liga podem ter suasresistências aumentadas pelo tratamento térmico, porém sãoaços de soldagem mais difícil.Os parafusos de alta resistência e os aços de baixa liga usadosem barras de protensão, recebem tratamento térmico.
  15. 15. Estruturas Metálicas
  16. 16. NORMAS TÉCNICAS● ABNT – Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios:método dos estados limites – NBR 8800 (NB14). Rio deJaneiro, ABNT, 1986.● ASTM – American Society for Testing and Materials:especificações para fabricação do aço, acabamento dosperfis, etc.● AISC – American Institute of Steel Construction:especificações para projetos de prédios industriais ouresidenciais em estruturas metálicas.
  17. 17. NORMAS TÉCNICAS● AASHO – American Association of State Highway Offcials:especificações para projeto de pontes rodoviárias metálicas.● Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures(ASCE 7-98) (American Society of Civil Engineers);● Structural Welding Code: Steel: ANSI/AWS D1.1 2000 Vol. 1(American Welding Society).
  18. 18. Além das normas de aço, outras normas devem serconsultadas para a elaboração de projetos em estruturasmetálicas:● NBR 6123 (NB599). Forças devidas ao vento em edificações,1988.● NBR 6120 (NB5). Cargas para o cálculo de estruturas deedificações, 1980.● NBR 9763 (EB1742). Aços para perfis laminados, chapasgrossas e barras, usados emestruturas fixas, 1987.● NBR 7188 (NB6). Carga móvel em ponte rodoviária epassarela de pedestre, 1984.● NBR 7189 (NB7). Cargas móveis para projeto estrutural deobras ferroviárias, 1989.
  19. 19. VANTAGENS● Construção estruturas com boa precisão, possibilitando altocontrole de qualidade;● Garantia de dimensões de propriedades dos materiais;● Material resistente a choques e vibrações;● Possibilidade de execução de obras mais rápidas e limpas;● Possibilidade de desmontagens e de reaproveitamento daspeças estruturais;
  20. 20. VANTAGENS● Alta resistência, o que implica em estruturas mais leves,vencendo grandes vãos;● Maior resistência mecânica: O módulo de elasticidade do aço éaproximadamente igual a 10 (dez) vezes do concreto. Dessaforma, consegue-se com a estrutura metálica maiores vãos devigamentos, colunas de menores dimensões e vigas com menoraltura;
  21. 21. VANTAGENS● Maior rapidez de execução: Sendo a estrutura metálicacomposta de peças pré-fabricadas, a montagem pode serexecutada com grande rapidez;● Canteiro de obra mais organizado;● Facilidade de modificação: Uma obra executada em estruturametálica, caso necessário, pode ser facilmente reforçado ouampliada;
  22. 22. VANTAGENS● Possibilidade de reaproveitamento: A estrutura metálica,principalmente quando as ligações são parafusadas, pode serdesmontada e reaproveitada.
  23. 23. DESVANTAGENS● Limitação da fabricação das peças em fábricas;● Limitação do comprimento das peças devido aos meios detransportes;● Necessidade de tratamento anticorrosivo;● Necessidade de mão de obra e equipamentos especializados;● Limitação de dimensões dos perfis estruturais;
  24. 24. DESVANTAGENS● Custos mais elevados: As estruturas em concreto armadoapresentam um custo global inferior ao do aço;● Possibilidade de corrosão: Estima-se que 15% do custo totalda estrutura são gastos com conservação;● Necessidade de mão-de-obra especializada.
  25. 25. RECOMENDAÇÕES● Um valor econômico para vigas em concreto armado é 6m,ou 1/10 do vão. Para estruturas metálicas o vão econômico éde 13m a 25m ou aproximadamente 1/20 do vão.● O valor de um projeto de estruturas metálicas é geralmentecobrado 10% do custo do peso da estrutura.
  26. 26. RECOMENDAÇÕES● Espessura mínima para peças estruturais:A espessura mínima das peças metálicas está ligada à suaproteção contra a corrosão.sem necessidade de proteção contra corrosão: 3mmcom necessidade de proteção contra corrosão: 5mm
  27. 27. APLICAÇÕEStelhados;pontes e viadutos;postes;edifícios comerciais;pontes rolantes;passarelas;edifícios industriais;reservatórios;indústria naval;residências;torres;escadas;hangares;guindastes;mezaninos.As aplicações do aço em Engenharia Civil são muitas como:
  28. 28. Propriedades dos aços estruturaisDuctilidade:● É a capacidade do material de se deformar sob a ação de cargassem se romper.● Quanto mais dúctil o aço, maior será a redução de área ou oalongamento antes da ruptura.● A ductilidade tem grande importância nas estruturas metálicas,pois permite a redistribuição de tensões locais elevadas.● As barras de aço sofrem grandes deformações antes de seromper, o que na prática constitui um aviso da presença detensões elevadas;
  29. 29. Propriedades dos aços estruturaisFragilidade:● É o oposto da ductilidade. Os aços podem ter características deelementos frágeis em baixas temperaturas;Resiliência:● É a capacidade do material de absorver energia mecânica emregime elástico;Tenacidade:● É a capacidade do material de absorver energia mecânica comdeformações elásticas e plásticas;
  30. 30. Propriedades dos aços estruturaisDureza:● É a resistência ao risco ou abrasão. A dureza pode ser medidapela resistência que sua superfície se opõe à introdução de umapeça de maior dureza;Resistência à Fadiga:● É a capacidade do material suportar aplicações repetidas decarga ou tensões.● É usualmente expressa como um limite de tensão que causa afalha sob condições de esforços repetidos.● Esta tensão pode ocorrer em regime elástico.
  31. 31. Propriedades dos aços estruturaisFluência ou creep:● Redução da resistência e do módulo de elasticidade emtemperaturas elevadas.Corrosão:● Reação química do aço com o oxigênio do meio ambiente (ar,água, solo).Tensões residuais:● Tensões causadas pelo resfriamento desigual da peça após oprocesso de fabricação.
  32. 32. Tensões e deformações● Os conceitos de tensão e deformação podem ser ilustrados,de modo elementar, considerando-se o alongamento de umabarra prismática (barra de eixo reto e de seção constante emtodo o comprimento).
  33. 33. Tensões e deformações● Considere-se uma barraprismática carregada nasextremidades por forçasaxiais P (forças que atuamno eixo da barra), queproduzem alongamentouniforme ou tração nabarra.● Sob ação dessas forçasoriginam-se esforçosinternos no interior dabarra.
  34. 34. Tensões e deformações● Para o estudo dos esforçosinternos, considere-se umcorte imaginário na seçãomm, normal a seu eixo.● Removendo-se, por exemplo,a parte direita do corpo, osesforços internos na seçãomm transformam-se emesforços externos.● Supõe-se que estes esforçosestejam distribuídosuniformemente sobre toda aseção transversal.
  35. 35. Tensões e deformações● Para que não se altere o equilíbrio, estes esforços devem serequivalentes à resultante, também axial, de intensidade P.● Quando estas forças são distribuídas perpendiculares euniformemente sobre toda a seção transversal, recebem o nomede tensão normal, sendo comumente designada pela letra gregaσ (sigma).
  36. 36. Tensões e deformações● Pode-se ver facilmente que a tensão normal, em qualquer parteda seção transversal é obtida dividindo-se o valor da força P pelaárea da seção transversal, ou seja,● A tensão possui a mesma unidade de pressão que, no SistemaInternacional de Unidades, é o Pascal (Pa), o qual corresponde àcarga de 1N atuando sobre uma superfície de 1m², ou seja, Pa =N/m².Equação (1)
  37. 37. Tensões e deformações● Como a unidade Pascal é muito pequena, costuma-se utilizarcom freqüência seus múltiplos: 1 MPa = N/mm² = (10^6.Pa),GPa = kN/mm² = (10^9.Pa), etc.● Em outros Sistemas de Unidades, a tensão ainda pode serexpressa em quilograma força por centímetro quadrado(kgf/cm²), libra por polegada quadrada (lb/in² ou psi), etc.● Quando a barra é alongada pela força P, a tensão resultante éuma tensão de tração; se as forças tiverem o sentido oposto,comprimindo a barra, tem-se tensão de compressão.● A condição necessária para validar a equação (1) é que atensão σ seja uniforme em toda a seção transversal da barra.
  38. 38. Tensões e deformações● O alongamento ou encurtamento total de uma barrasubmetida a uma força axial é designado pela letra grega Δlouδ (delta).● O alongamento ou encurtamento por unidade decomprimento, denominado deformação específica,representada pela letra grega ε (epsilon), é dado pela seguinteEquação:● Lei de Hooke: os deslocamentos são proporcionais aosesforços (dentro de certos limites).Equação (2)
  39. 39. Tensões e deformações● Lei de Hooke: os deslocamentos são proporcionais aosesforços (dentro de certos limites).δ = kFE: módulo de elasticidade ( módulo de Young) , para o açoE = 205.000 MPaEquação (3)
  40. 40. Ensaios● Para se conhecer o comportamento estrutural do açorealizam-se ensaios em laboratório, utilizando-se corpos deprova normalizados, com o intuito de se obter ascaracterísticas mecânicas do material, tais como, módulo deelasticidade, tensão de ruptura, etc.● Estas características mecânicas são utilizadas nos projetosestruturais.
  41. 41. Ensaios de tração:● Nos ensaios de tração do aço distinguem-se dois casos: açosque apresentam patamar de escoamento e os aços que nãoapresentam.● O ensaio de tração tem por objetivo o traçado da curvatensão-deformação e a obtenção das características mecânicasdo material.● Consiste em tracionar um corpo de prova em uma máquinade ensaio e registrar sucessivamente as tensões (σ) aplicadase as correspondentes deformações unitárias (ε).
  42. 42. Diagrama tensão – deformação:● As relações entre tensões e deformações para umdeterminado material são encontradas por meio de ensaios detração.●Nestes ensaios são medidos os alongamentos δ,correspondentes aos acréscimos de carga axial P, que seaplicam à barra, até a sua ruptura.●Obtêm-se as tensões (σ) dividindo as forças pela área daseção transversal da barra e as deformações específicas (ε)dividindo o alongamento pelo comprimento ao longo do quala deformação é medida. Deste modo obtém-se um diagramatensão-deformação do material em estudo.
  43. 43. Diagrama tensão – deformação:● Na Figura abaixo ilustra-se o diagrama tensão-deformaçãotípico do aço.
  44. 44. Região elástica:● De 0 até A as tensões são diretamente proporcionais àsdeformações; o material obedece a Lei de Hooke, mais àfrente enunciada, e o diagrama é linear.● 0 ponto A é chamado limite de proporcionalidade, pois, apartir desse ponto deixa de existir a proporcionalidade.● Nesta fase, as deformações desaparecem quando retiradas ascargas aplicadas.● Portanto, não há deformação permanente nesta fase.● Daí em diante inicia-se uma curva que se afasta da reta OA ,até que em B inicia-se o fenômeno do escoamento.
  45. 45. Região plástica:● É aquela situada após o ponto A até a ruptura.● Nesta fase as deformações no material são permanentes.● No ponto B inicia-se o escoamento, caracterizado por umaumento considerável da deformação com pequeno aumento daforça de tração.● A presença de um ponto de escoamento pronunciado, seguidode grande deformação plástica é uma característica do aço, que éo mais comum dos metais estruturais em uso atualmente.● Tanto os aços quanto as ligas de alumínio podem sofrer grandesdeformações antes da ruptura.
  46. 46. Região plástica:● Materiais que apresentam grandes deformações, antes daruptura, são classificados de materiais dúcteis.● Outros materiais como o cobre, bronze, latão, níquel, etc,também possuem comportamento dúctil.● Por outro lado, os materiais frágeis ou quebradiços são aquelesque se deformam relativamente pouco antes de romper-se, comopor exemplo, o ferro fundido, concreto, vidro, porcelana,cerâmica, gesso, entre outros.● O ponto C é o final do escoamento o material começa a oferecerresistência adicional ao aumento de carga, atingindo o valormáximo ou tensão máxima no ponto D, denominado limitemáximo de resistência.
  47. 47. Região plástica:● A partir do ponto C verifica-se outro fenômeno físico, chamadoencruamento.● O aumento de resistência das ligas metálicas ocorrida após oescoamento é chamado encruamento.● A fase plástica caracteriza-se pelo endurecimento pordeformação a frio, ou seja, pelo encruamento do material.● Além deste ponto, maiores deformações são acompanhadas porreduções da carga, ocorrendo, finalmente, a ruptura do corpo-de-prova no ponto E do diagrama.
  48. 48. Região plástica:● O limite de resistência corresponde ao valor máximo de tensãoque o material pode suportar (ponto D).● Depois de atingida esta carga máxima, inicia-se a fase deruptura caracterizada pelo fenômeno da Estricção.● A Estricção é uma diminuição acentuada da seção transversal docorpo de prova até a sua ruptura.● No ponto E, verifica-se a ruptura da peça após a estricção, queteve início em D.● Observa-se, também, queda no valor da tensão aparente entre De E.
  49. 49. Ensaios de compressão:● Na determinação das características mecânicas dos açosestruturais, não é freqüente o emprego do ensaio decompressão, dando-se preferência ao ensaio de tração.● Existem dificuldades neste tipo de ensaio, como apossibilidade de flambagem do corpo de prova e outrosproblemas práticos ligados especificamente ao ensaio.● Os ensaios de compressão são realizados quase sempre nocampo da pesquisa, visando comparar seus resultados com osensaios de tração.● Quando se ensaia à compressão obtém-se também a curvatensão-deformação, os limites de proporcionalidade e deescoamento, módulos de elasticidade, etc.
  50. 50. Ensaios de compressão:● Quando se ensaia à compressão obtém-se também a curvatensão-deformação, os limites de proporcionalidade e deescoamento, módulos de elasticidade, etc.● Os valores encontrados para estas propriedades sãoaproximadamente iguais aos obtidos num ensaio de tração.● Nos estudos teóricos e cálculos, admitem-se que aspropriedades mecânicas citadas são as mesmas, quando omaterial trabalha à tração ou à compressão.● Na verdade, as diferenças ocasionalmente encontradas paracertos tipos de aço são pequenas.
  51. 51. Ensaios de compressão:● Assim, a validade da Lei de Hooke ocorre tanto para peçascomprimidas como para tracionadas, admitindo-se a mesmacurva tensão – deformação, com os mesmos valores, nos doiscasos.● O módulo de elasticidade, limites de escoamento e deelasticidade, etc, apresentam conseqüentemente, os mesmosnúmeros para tração ou compressão.
  52. 52. Ensaio de cisalhamento simples:Experimentalmente,verificou-se que fv = 0,60 fy ,sendo fv a tensão deescoamento ao cisalhamento.
  53. 53. Coeficiente de Poisson● Quando uma barra é tracionada, o alongamento axial éacompanhado por uma contração lateral, isto é, alargura da barra torna-se menor enquanto cresce seucomprimento. Quando a barra é comprimida, a largurada barra aumenta.
  54. 54. Coeficiente de Poisson● A relação entre as deformações transversal e longitudinal éconstante dentro da região elástica, e é conhecida comorelação ou coeficiente de Poisson (v); definido como:● Esse coeficiente é assim conhecido em razão do famosomatemático francês S. D. Poisson (1781-1840).● Para os materiais que possuem as mesmas propriedadeselásticas em todas as direções, denominados isotrópicos,Poisson achou ν ≈ 0,25. Experiências com metais mostramque o valor de v usualmente encontra-se entre 0,25 e 0,35.Equação (4)
  55. 55. Coeficiente de Poisson● Se o material em estudo possuir as mesmas propriedadesqualquer que seja a direção escolhida, no ponto considerado,então é denominado, material isótropico.● Se o material não possuir qualquer espécie de simetriaelástica, então é denominado material anisotrópico. Umexemplo de material anisotrópico é a madeira pois, nadireção de suas fibras a madeira é mais resistente.
  56. 56. Exemplos1. Determinar a tensão de tração “σ”, a deformação específica“ε” e o alongamento “δ de uma barra prismática decomprimento L=5,0m, seção transversal circular com diâmetrod=5cm e módulo de elasticidade E=20.000 kN/cm², submetida auma força axial de tração P=30 kN.
  57. 57. Exemplos2. A barra da figura é constituída de 3 trechos: trecho AB=300cm e seção transversal com área A=10cm²; trecho BC=200cm eseção transversal com área A=15cm² e trecho CD=200cm eseção transversal com área A=18cm² é solicitada pelo sistema deforças indicado na Figura. Determinar as tensões “σ” e asdeformações “ε” em cada trecho, bem como o alongamentototal. Dado E=21.000 kN/cm².

×