Estruturas de aço_aula1

Estruturas de Aço
Profa. Aldecira Gadelha, M.Sc.

Considerações básicas:
● O aço é basicamente uma liga de ferro com baixo teor de
carbono (<1,7%) e outros elementos químicos que
aparecem com impurezas ou são adicionados para
fornecer propriedades desejadas.
● Estas adições também são feitas de baixas
porcentagens, por exemplo: manganês 1,65%, cobre
0,60%, etc.

Obtenção do aço:
● Para produzir aço, parte do ferro, que é encontrado na
natureza em forma de óxido e, na operação denominada
redução é transformado em metal.
● A operação de redução consiste em fornecer calor ao
minério de ferro, que combina o oxigênio existente nas
suas moléculas com carbono de carvão utilizado na
queima, deixando como produto, nos altos fornos ou em
fornos de redução direta, o metal básico ferro (ferro gusa).

Obtenção do aço:
● A seguir, o ferro gusa é transformado em aço mediante a
passagem de ar ou oxigênio puro no seu interior,
possibilitando a combinação com carbono existente.
● Ao mesmo tempo podem ser adicionados outros
elementos (silício, manganês, fósforo, enxofre, etc.),
gerando-se assim os mais diversos tipos de aço.

Obtenção do aço:
● Outro processo utilizado consiste em fundir sucata de
ferro em um forno elétrico.
● Após esta transformação, o aço pode ser moldado na
forma de chapas, barras, perfis, tubos, etc., num processo
chamado de laminação.

Classificação:
a) Segundo o teor de Carbono:

Classificação:
b) Aços estruturais:

I) Aço-carbono:
● É o aço mais indicado para estruturas metálicas, pois é fácil
de ser encontrado em todas as bitolas.
● Como exemplo de aço carbono fabricado no Brasil, o ASTM
A-36 ou simplesmente A-36.
● Numa terminologia menos técnica pode-se interpretar o aço
A-36 como aço comum.
● Os aços carbono apresentam taxas que variam
aproximadamente de 0,15% a 1,7% de carbono.

Classificação:
● São aços de resistência mecânica mais elevadas,
possibilitando, assim, redução do peso próprio da
estrutura.
● Este tipo de aço tem também elevada resistência à
oxidação, não necessitando qualquer pintura de proteção.

II) Aços de baixa liga e alta resistência
mecânica e à corrosão
● Devem ser utilizados em obras especiais tais como viadutos
ou estruturas de grandes vãos, onde a redução do peso é
importante. Evidentemente, são perfis de custo mais elevado
que os comuns.
● As usinas nacionais produzem aço de alta resistência
mecânica e à corrosão atmosférica, com os seguintes nomes
comerciais:

II) Aços de baixa liga e alta resistência
mecânica e à corrosão
● Exemplo de aço de alta resistência:
ASTM A-242, fabricado pela CSN, sob o
nome comercial de aço COR-TEN.
● O aço de alta resistência, do tipo CORTEN (ou similar)
possui tensão de escoamento de 350 MPa.

Tipos de aços de baixa liga e alta resistência
mecânica e à corrosão:

Estruturas Metálicas
Classificação:
Tanto os aços-carbono quanto os de baixa liga podem ter suas
resistências aumentadas pelo tratamento térmico, porém são
aços de soldagem mais difícil.
Os parafusos de alta resistência e os aços de baixa liga usados
em barras de protensão, recebem tratamento térmico.

NORMAS TÉCNICAS
● ABNT – Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios:
método dos estados limites – NBR 8800 (NB14). Rio de
Janeiro, ABNT, 1986.
● ASTM – American Society for Testing and Materials:
especificações para fabricação do aço, acabamento dos
perfis, etc.
● AISC – American Institute of Steel Construction:
especificações para projetos de prédios industriais ou
residenciais em estruturas metálicas.

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).

Além das normas de aço, outras normas devem ser
consultadas para a elaboração de projetos em estruturas
metálicas:
● NBR 6123 (NB599). Forças devidas ao vento em edificações,
1988.
● NBR 6120 (NB5). Cargas para o cálculo de estruturas de
edificações, 1980.
● NBR 9763 (EB1742). Aços para perfis laminados, chapas
grossas e barras, usados emestruturas fixas, 1987.
● NBR 7188 (NB6). Carga móvel em ponte rodoviária e
passarela de pedestre, 1984.
● NBR 7189 (NB7). Cargas móveis para projeto estrutural de
obras ferroviárias, 1989.

VANTAGENS
● Construção estruturas com boa precisão, possibilitando alto
controle 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 das
peças estruturais;

VANTAGENS
● Alta resistência, o que implica em estruturas mais leves,
vencendo grandes vãos;
● Maior resistência mecânica: O módulo de elasticidade do aço é
aproximadamente igual a 10 (dez) vezes do concreto. Dessa
forma, consegue-se com a estrutura metálica maiores vãos de
vigamentos, colunas de menores dimensões e vigas com menor
altura;

VANTAGENS
● Maior rapidez de execução: Sendo a estrutura metálica
composta de peças pré-fabricadas, a montagem pode ser
executada com grande rapidez;
● Canteiro de obra mais organizado;
● Facilidade de modificação: Uma obra executada em estrutura
metálica, caso necessário, pode ser facilmente reforçado ou
ampliada;

VANTAGENS
● Possibilidade de reaproveitamento: A estrutura metálica,
principalmente quando as ligações são parafusadas, pode ser
desmontada e reaproveitada.

DESVANTAGENS
● Limitação da fabricação das peças em fábricas;
● Limitação do comprimento das peças devido aos meios de
transportes;
● Necessidade de tratamento anticorrosivo;
● Necessidade de mão de obra e equipamentos especializados;
● Limitação de dimensões dos perfis estruturais;

DESVANTAGENS
● Custos mais elevados: As estruturas em concreto armado
apresentam um custo global inferior ao do aço;
● Possibilidade de corrosão: Estima-se que 15% do custo total
da estrutura são gastos com conservação;
● Necessidade de mão-de-obra especializada.

RECOMENDAÇÕES
● Um valor econômico para vigas em concreto armado é 6m,
ou 1/10 do vão. Para estruturas metálicas o vão econômico é
de 13m a 25m ou aproximadamente 1/20 do vão.
● O valor de um projeto de estruturas metálicas é geralmente
cobrado 10% do custo do peso da estrutura.

RECOMENDAÇÕES
● Espessura mínima para peças estruturais:
A espessura mínima das peças metálicas está ligada à sua
proteção contra a corrosão.
sem necessidade de proteção contra corrosão: 3mm
com necessidade de proteção contra corrosão: 5mm

APLICAÇÕES
telhados;
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:

Propriedades dos aços estruturais
Ductilidade:
● É a capacidade do material de se deformar sob a ação de cargas
sem se romper.
● Quanto mais dúctil o aço, maior será a redução de área ou o
alongamento 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 se
romper, o que na prática constitui um aviso da presença de
tensões elevadas;

Fragilidade:
● É o oposto da ductilidade. Os aços podem ter características de
elementos frágeis em baixas temperaturas;
Resiliência:
● É a capacidade do material de absorver energia mecânica em
regime elástico;
Tenacidade:
● É a capacidade do material de absorver energia mecânica com
deformações elásticas e plásticas;

Dureza:
● É a resistência ao risco ou abrasão. A dureza pode ser medida
pela resistência que sua superfície se opõe à introdução de uma
peça de maior dureza;
Resistência à Fadiga:
● É a capacidade do material suportar aplicações repetidas de
carga ou tensões.
● É usualmente expressa como um limite de tensão que causa a
falha sob condições de esforços repetidos.
● Esta tensão pode ocorrer em regime elástico.

Fluência ou creep:
● Redução da resistência e do módulo de elasticidade em
temperaturas 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 o
processo de fabricação.

Tensões e deformações
● Os conceitos de tensão e deformação podem ser ilustrados,
de modo elementar, considerando-se o alongamento de uma
barra prismática (barra de eixo reto e de seção constante em
todo o comprimento).

● Considere-se uma barra
prismática carregada nas
extremidades por forças
axiais P (forças que atuam
no eixo da barra), que
produzem alongamento
uniforme ou tração na
barra.
● Sob ação dessas forças
originam-se esforços
internos no interior da
barra.

● Para o estudo dos esforços
internos, considere-se um
corte imaginário na seção
mm, normal a seu eixo.
● Removendo-se, por exemplo,
a parte direita do corpo, os
esforços internos na seção
mm transformam-se em
esforços externos.
● Supõe-se que estes esforços
estejam distribuídos
uniformemente sobre toda a
seção transversal.

● Para que não se altere o equilíbrio, estes esforços devem ser
equivalentes à resultante, também axial, de intensidade P.
● Quando estas forças são distribuídas perpendiculares e
uniformemente sobre toda a seção transversal, recebem o nome
de tensão normal, sendo comumente designada pela letra grega
σ (sigma).

● Pode-se ver facilmente que a tensão normal, em qualquer parte
da seção transversal é obtida dividindo-se o valor da força P pela
área da seção transversal, ou seja,
● A tensão possui a mesma unidade de pressão que, no Sistema
Internacional de Unidades, é o Pascal (Pa), o qual corresponde à
carga de 1N atuando sobre uma superfície de 1m², ou seja, Pa =
N/m².
Equação (1)

● Como a unidade Pascal é muito pequena, costuma-se utilizar
com 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 ser
expressa 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 é
uma 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 a
tensão σ seja uniforme em toda a seção transversal da barra.

● O alongamento ou encurtamento total de uma barra
submetida a uma força axial é designado pela letra grega Δl
ouδ (delta).
● O alongamento ou encurtamento por unidade de
comprimento, denominado deformação específica,
representada pela letra grega ε (epsilon), é dado pela seguinte
Equação:
● Lei de Hooke: os deslocamentos são proporcionais aos
esforços (dentro de certos limites).
Equação (2)

● Lei de Hooke: os deslocamentos são proporcionais aos
esforços (dentro de certos limites).
δ = kF
E: módulo de elasticidade ( módulo de Young) , para o aço
E = 205.000 MPa
Equação (3)

Ensaios
● Para se conhecer o comportamento estrutural do aço
realizam-se ensaios em laboratório, utilizando-se corpos de
prova normalizados, com o intuito de se obter as
características mecânicas do material, tais como, módulo de
elasticidade, tensão de ruptura, etc.
● Estas características mecânicas são utilizadas nos projetos
estruturais.

Ensaios de tração:
● Nos ensaios de tração do aço distinguem-se dois casos: aços
que apresentam patamar de escoamento e os aços que não
apresentam.
● O ensaio de tração tem por objetivo o traçado da curva
tensão-deformação e a obtenção das características mecânicas
do material.
● Consiste em tracionar um corpo de prova em uma máquina
de ensaio e registrar sucessivamente as tensões (σ) aplicadas
e as correspondentes deformações unitárias (ε).

Diagrama tensão – deformação:
● As relações entre tensões e deformações para um
determinado material são encontradas por meio de ensaios de
tração.
●
Nestes ensaios são medidos os alongamentos δ,
correspondentes aos acréscimos de carga axial P, que se
aplicam à barra, até a sua ruptura.
●
Obtêm-se as tensões (σ) dividindo as forças pela área da
seção transversal da barra e as deformações específicas (ε)
dividindo o alongamento pelo comprimento ao longo do qual
a deformação é medida. Deste modo obtém-se um diagrama
tensão-deformação do material em estudo.

Diagrama tensão – deformação:
● Na Figura abaixo ilustra-se o diagrama tensão-deformação
típico do aço.

Região elástica:
● De 0 até A as tensões são diretamente proporcionais às
deformações; o material obedece a Lei de Hooke, mais à
frente enunciada, e o diagrama é linear.
● 0 ponto A é chamado limite de proporcionalidade, pois, a
partir desse ponto deixa de existir a proporcionalidade.
● Nesta fase, as deformações desaparecem quando retiradas as
cargas 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.

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 um
aumento considerável da deformação com pequeno aumento da
força de tração.
● A presença de um ponto de escoamento pronunciado, seguido
de grande deformação plástica é uma característica do aço, que é
o mais comum dos metais estruturais em uso atualmente.
● Tanto os aços quanto as ligas de alumínio podem sofrer grandes
deformações antes da ruptura.

● Materiais que apresentam grandes deformações, antes da
ruptura, 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 aqueles
que se deformam relativamente pouco antes de romper-se, como
por exemplo, o ferro fundido, concreto, vidro, porcelana,
cerâmica, gesso, entre outros.
● O ponto C é o final do escoamento o material começa a oferecer
resistência adicional ao aumento de carga, atingindo o valor
máximo ou tensão máxima no ponto D, denominado limite
máximo de resistência.

● A partir do ponto C verifica-se outro fenômeno físico, chamado
encruamento.
● O aumento de resistência das ligas metálicas ocorrida após o
escoamento é chamado encruamento.
● A fase plástica caracteriza-se pelo endurecimento por
deformação a frio, ou seja, pelo encruamento do material.
● Além deste ponto, maiores deformações são acompanhadas por
reduções da carga, ocorrendo, finalmente, a ruptura do corpo-
de-prova no ponto E do diagrama.

● O limite de resistência corresponde ao valor máximo de tensão
que o material pode suportar (ponto D).
● Depois de atingida esta carga máxima, inicia-se a fase de
ruptura caracterizada pelo fenômeno da Estricção.
● A Estricção é uma diminuição acentuada da seção transversal do
corpo de prova até a sua ruptura.
● No ponto E, verifica-se a ruptura da peça após a estricção, que
teve início em D.
● Observa-se, também, queda no valor da tensão aparente entre D
e E.

Ensaios de compressão:
● Na determinação das características mecânicas dos aços
estruturais, não é freqüente o emprego do ensaio de
compressão, dando-se preferência ao ensaio de tração.
● Existem dificuldades neste tipo de ensaio, como a
possibilidade de flambagem do corpo de prova e outros
problemas práticos ligados especificamente ao ensaio.
● Os ensaios de compressão são realizados quase sempre no
campo da pesquisa, visando comparar seus resultados com os
ensaios de tração.
● Quando se ensaia à compressão obtém-se também a curva
tensão-deformação, os limites de proporcionalidade e de
escoamento, módulos de elasticidade, etc.

● Quando se ensaia à compressão obtém-se também a curva
tensão-deformação, os limites de proporcionalidade e de
escoamento, módulos de elasticidade, etc.
● Os valores encontrados para estas propriedades são
aproximadamente iguais aos obtidos num ensaio de tração.
● Nos estudos teóricos e cálculos, admitem-se que as
propriedades mecânicas citadas são as mesmas, quando o
material trabalha à tração ou à compressão.
● Na verdade, as diferenças ocasionalmente encontradas para
certos tipos de aço são pequenas.

● Assim, a validade da Lei de Hooke ocorre tanto para peças
comprimidas como para tracionadas, admitindo-se a mesma
curva tensão – deformação, com os mesmos valores, nos dois
casos.
● O módulo de elasticidade, limites de escoamento e de
elasticidade, etc, apresentam conseqüentemente, os mesmos
números para tração ou compressão.

Ensaio de cisalhamento simples:
Experimentalmente,
verificou-se que fv = 0,60 fy ,
sendo fv a tensão de
escoamento ao cisalhamento.

Coeficiente de Poisson
● Quando uma barra é tracionada, o alongamento axial é
acompanhado por uma contração lateral, isto é, a
largura da barra torna-se menor enquanto cresce seu
comprimento. Quando a barra é comprimida, a largura
da barra aumenta.

● A relação entre as deformações transversal e longitudinal é
constante dentro da região elástica, e é conhecida como
relação ou coeficiente de Poisson (v); definido como:
● Esse coeficiente é assim conhecido em razão do famoso
matemático francês S. D. Poisson (1781-1840).
● Para os materiais que possuem as mesmas propriedades
elásticas em todas as direções, denominados isotrópicos,
Poisson achou ν ≈ 0,25. Experiências com metais mostram
que o valor de v usualmente encontra-se entre 0,25 e 0,35.
Equação (4)

● Se o material em estudo possuir as mesmas propriedades
qualquer que seja a direção escolhida, no ponto considerado,
então é denominado, material isótropico.
● Se o material não possuir qualquer espécie de simetria
elástica, então é denominado material anisotrópico. Um
exemplo de material anisotrópico é a madeira pois, na
direção de suas fibras a madeira é mais resistente.

Exemplos
1. Determinar a tensão de tração “σ”, a deformação específica
“ε” e o alongamento “δ de uma barra prismática de
comprimento L=5,0m, seção transversal circular com diâmetro
d=5cm e módulo de elasticidade E=20.000 kN/cm², submetida a
uma força axial de tração P=30 kN.

Exemplos
2. A barra da figura é constituída de 3 trechos: trecho AB=300
cm e seção transversal com área A=10cm²; trecho BC=200cm e
seção transversal com área A=15cm² e trecho CD=200cm e
seção transversal com área A=18cm² é solicitada pelo sistema de
forças indicado na Figura. Determinar as tensões “σ” e as
deformações “ε” em cada trecho, bem como o alongamento
total. Dado E=21.000 kN/cm².

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