1 AÇOS ESTRUTURAIS 1.1 INTRODUÇÃO E HISTÓRICO 1.2 CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DAS ESTRUTURAS DE AÇO 1.3 CARACTERÍSTICAS DO AÇO ESTRUTURAL

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1 1 AÇOS ESTRUTURAIS 1.1 INTRODUÇÃO E HISTÓRICO As primeiras obras de aço surgiram praticamente ao mesmo tempo em que se iniciou a produção industrial desse material, por volta de 1780 existe registro da aplicação de aço na escadaria do museu do Louvre, em Paris 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 existe 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 No Brasil não existem estatísticas específicas de percentual de tipo de estrutura por metro quadrado. Citando informações do Centro Brasileiro da Construção com Aço CBCA, obtidas com base em levantamentos junto as fabricantes de estruturas metálicas, verifica-se que, enquanto nos Estados Unidos 50% das edificações são construídas em aço e, no Reino Unido, em 70% delas, no Brasil essa participação é de cerca de 15%. Os dados mais recentes apontam ainda que, de uma demanda total em 2008 superior a 2,8 milhões de toneladas para construção em aço, os principais destaques foram os aços planos revestidos, destinados a telhas, perfis steel framing e perfis drywall, que passaram de 502 mil toneladas em 2007, para 729 mil toneladas (+ 45,1%) em 2008; e a demanda dos perfis e tubos para estruturas que cresceu de 284 mil toneladas para 411 mil toneladas (+ 44,7%) no mesmo período. 1.2 CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DAS ESTRUTURAS DE AÇO Embora seja mais correto conceitualmente referir-se a características do que a vantagens e desvantagens de um determinado sistema estrutural, vamos relacionar a seguir alguns aspectos favoráveis e desfavoráveis da utilização do aço em estruturas. Deve-se ressaltar, contudo, que a aplicação de um ou de outro sistema estrutural é precedida por uma avaliação das características de cada sistema, optando pelo mais adequado à situação considerada. Vantagens: 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. Desvantagens: Necessidade de tratamento e cuidados especiais contra corrosão; Sensibilidade estrutural em caso de incêndio; Por tratar-se, em geral, de estruturas esbeltas, é importante considerar a possibilidade de vibrações indesejáveis na estrutura; Necessidade de mão de obra mais especializada e equipamentos para serviços de montagem e solda; Por tratar-se de estrutura com características de pré-fabricação, o projeto necessita adaptar-se à disponibilidade do fornecimento e não o contrário. 1.3 CARACTERÍSTICAS DO AÇO ESTRUTURAL 1-1

2 1.3.1 COMPOSIÇÃO Sob o ponto de vista de sua fabricação, o aço estrutural tem uma grande variação, porém, pode-se dizer de modo simplificado, que o elemento mais importante na formulação do aço é o Carbono. As variações no teor desse material determinam principalmente alterações na resistência e na maleabilidade do aço. Quanto maior o teor de Carbono, maior a resistência e menos dúctil o aço, ou seja, menos capaz de sofrer deformações sem romper. A classificação do aço conforme o seu teor de Carbono está colocada a seguir: AÇOS CARBONO Classificação Teor de Carbono Baixo Carbono C < 0,15% Moderado 0,15% C < 0,29% Médio Carbono 0,30% < C < 0,59% Alto Carbono 0,60% < C < 1,70% Tabela 1.1: Classificação dos aços de acordo com o teor de carbono. Os aços de teores baixos a moderados são os mais utilizados em estruturas por não necessitarem de cuidados especiais para serem soldados. Conforme já mencionado, na medida em que se aumenta o teor de Carbono no aço, aumenta-se sua resistência e é diminuída sua ductilidade AÇOS DE BAIXA LIGA São definidos como Aços Carbono que recebem elementos de liga (Cromo, Colúmbio, Cobre, Manganês, Molibdênio, Níquel, Fósforo, Vanádio, etc) que melhoram a resistência ou outras propriedades do aço sem alterar sua soldabilidade. 1.4 PROPRIEDADES As principais propriedades mecânicas gerais do aço estrutural estão relacionadas a seguir (NBR ): a) Módulo de Elasticidade Tangente: E = MPa; b) Módulo de Elasticidade Transversal G = Mpa; c) Coeficiente de Poisson: νa = 0,3; d) Coeficiente de Dilatação Térmica: βa = 1,2 x 10-6 oc-1; e) Massa específica: ρa = Kg/m3. Diagrama tensão deformação do aço é ilustrado na Figura 1.1. No diagrama, é a resistência de ruptura do aço à tração ou limite de resistência à tração, f y a resistência ao escoamento do aço à tensão normal ou limite de escoamento e f p o limite de proporcionalidade. A NBR 8800 estabelece no item seus limites de aplicabilidade, sua aplicação deve obedecer às seguintes condições: Relação e e qualificação estrutural assegurada por Norma Brasileira e para aços sem essa qualificação, o responsável técnico deve analisar as diferenças entre as especificações desses aços e os qualificados por NBR (especialmente no que se refere a métodos de amostragem para determinação de propriedades mecânicas). Para esses aços também devem ser respeitadas as relações de tensões e os valores limite expressos mais acima. 1-2

3 Figura 1.1: Diagrama tensão deformação do aço. Particularidades do comportamento tensão deformação do aço: Ductibilidade: É a propriedade que um material apresenta de se deformar sob ação de cargas. A esta propriedade está associada a capacidade que estruturas construídas com materiais dúteis apresentam de se deformar plasticamente, redistribuindo as tensões internas. Ruptura frágil - fragilidade: Sob certas condições a o metal perde sua característica de ductibilidade podendo apresentar um comportamento frágil. Essas condições, que devem ser evitadas, ou verificadas com especial cuidado, são, por exemplo: estados múltiplos de tensões não previstos no projeto e soldas indequadas; Temperatura: Ao serem elevadas as temperaturas, os valores de fu, fy e E se reduzem. Para a temperatura de 500 oc, as grandezas acima são reduzidas pela metade e para uma temperatura acima desse valor se reduzem a quase zero. A NBR-8800 em seu item 1.6 remete o dimensionamento de estruturas metálicas sob o efeito de incêndio para outra norma, a NBR 14323; Fadiga: Quando submetidos a ciclos de carga e descarga, o aço estrutural, como outros materiais pode sofrer ruptura sob tensões menores que suas resistências nominais, que são obtidas, em geral, a partir de ensaios estáticos. O anexo K da NBR 8800 trata deste fenômeno. Corrosão: O processo de corrosão compromete a resistência da estrutura pela redução da seção útil dos perfis estruturais. O anexo N da NBR 8800 fornece informações gerais sobre o processo de corrosão e indica alguns procedimentos preventivos. 1.5 PRODUTOS SIDERÚRGICOS PARA ESTRUTURAS 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. O anexo A da NBR 8800 apresenta diversos tipos normalizados de aços estruturais 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. Por exemplo: 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 ¼ ). 1-3

4 Classes de resistência: De acordo com a tabela A.2 da NBR 8800 as barras têm tensão de escoamento variando desde 250 MPa até MPa e tensão de ruptura 400 MPa até 550 MPa CHAPAS As chapas também são elementos laminados com espessuras variadas e resistências variadas. As chapas finas são as que têm espessuras de até 5,0 mm, acima desse valor estão as chapas grossas. Nomenclatura e classes de resistência: De modo geral, pode-se referir uma chapa por CH 8 (chapa com 8,0 mm de espessura). A NBR 8800 refere-se também a nomenclatura de acordo com várias classes de resistência, por exemplo, para aços comuns: CG-26, chapa grossa com fy=255 MPa e fu=410 MPa; CF-26, chapa fina com fy=260 MPa e fu=400 MPa; Para aços de baixa liga e alta resistência mecânica: G-35, chapa grossa, fy=345 MPa e fu= MPa; F-35, chapa fina, fy=340 MPa e fu= MPa; PERFIS LAMINADOS, COM SEÇÃO I, H, C (OU U) Os perfis estruturais podem ser laminados, soldados ou de chapa dobrada, esses últimos não são definidos pela NBR 8800, mas em norma específica, de modo que não serão tratados no presente texto. Existem inúmeros produtos, fabricados em padrões americanos (série americana, perfis de faces, em geral, não paralelas) e padrões europeus (série européia, de faces paralelas) de modo que serão fornecidas apenas denominações mais comuns e exemplos. Como regra geral, sempre é necessário trabalhar com a tabela do fornecedor para obter as propriedades do perfil. Figura 1.2: Perfis Laminados I, H e C (ou U). A nomenclatura dos perfis I, H e C (ou U) segue uma regra geral, 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 exemplo: I 101 x 12,7, perfil I, com d = 101,0 mm e massa linear 12,7 kg/m. C (ou U) 254 x 22,7, perfil Tipo C (Channel, ou U), com d = 254,0 mm e massa linear 22,7 kg/m. No caso de perfis soldados, a regra geral de nomenclatura é praticamente a mesma, com os seguintes nomes para os perfis: Perfil tipo viga soldada VS com relação d/bf 4,0 >= d/bf >= 2,0 (em geral d/bf~=2,0) Perfil tipo coluna viga soldada CVS 1,0 >= d/bf >= 1,5 (em geral d/bf~=1,5) Perfil coluna soldada CS d/bf ~= 1,0 Exemplo: VS 200 x 23, viga soldada com d = 200,0 mm e massa linear 23 kg/m. 1-4

5 Existem diversos complementos possíveis e algumas nomenclaturas alternativas, por exemplo: Perfil W d x massa linear perfil I de aba larga (tabela de perfis USIMINAS) Perfil HP d x massa linear perfil H de faces paralelas, ou Perfil HPP d x massa linear perfil H com faces paralelas e pesado (existem HPL e HPM, leve e médio, respectivamente). Deve-se salientar, também, que a referência à altura do perfil e à sua massa linear é frequentemente arredondada nos nomes de perfis das tabelas, de modo que deve-se consultar os valores exatos nas próprias tabelas PERFIS LAMINADOS, COM SEÇÃO CANTONEIRA (L) Os perfis cantoneira podem seguir a mesma regra anterior, porém é mais comum utilizar nomenclatura própria, conforme está colocado a seguir: L 102 x 6,4, cantoneira de abas iguais com lado 102,0 mm e espessura 6,4 mm; L 89 x 64 X 6,4, cantoneira de abas desiguais, com lados 89,0 e 64,0 mm, e espessura 6,4 mm. Figura 1.3: Perfis Laminados, cantoneira (L). 1.6 CLASSES DE RESISTÊNCIA DOS AÇOS ESTRUTURAIS A NBR 8800 em seu anexo A, tabelas A.1 e A.2, define as classes de resistência dos aços. Como regra geral, temos pela nomenclatura ABNT: Aço de média resistência MR 250, aço com tensão de escoamento, fy=250 MPa e fu=400 MPa; Aço de alta resistência AR 350, aço com tensão de escoamento, fy=350 MPa e fu=410 MPa ou fu=485 MPa. Existe também o aço com maior resistência à corrosão: COR AR 415, fy=415 MPa e fu=520 MPa. Abaixo, estão colocadas as tabelas 1 A.1 e A.2 da NBR 8800 para referência de classes estruturais. A tabela A.2 traz os aços conforme a nomenclatura ASTM, nessa tabela, ressalte-se o aço A36, equivalente ao MR250, e de larga utilização. A Tabela A.1 apresenta os valores nominais mínimos, a menos que uma faixa seja mostrada, da resistência ao escoamento (fy) e da resistência à ruptura (fu) de aços relacionados por Normas Brasileiras para uso estrutural em perfis e chapas, conforme as especificações destas Normas Brasileiras, que atendem às condições relacionadas às propriedades mecânicas exigidas por esta Norma (fy MPa e relação fu/fy 1,18). 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. Na Tabela A.2 são fornecidos os valores nominais mínimos, a menos que uma faixa seja mostrada, da resistência ao escoamento e da resistência à ruptura de alguns aços estruturais de uso frequente relacionados pela ASTM, conforme as especificações da própria ASTM. Nesta Tabela, os dados que constam nas colunas Produtos e Grupo de perfil ou faixa de espessura disponível são meramente indicativos (para informações mais precisas, deve ser consultada a ASTM A6). 1 As tabelas foram extraídas do projeto de revisão, mas são idênticas às da versão final da NBR

6 ABNT NBR 7007 ABNT NBR 6648 ABNT NBR 6649 / ABNT NBR 6650 Aços-carbono e microligados para uso estrutural e geral Chapas grossas de aço-carbono para uso estrutural Chapas finas (a frio/a quente) de açocarbono para uso estrutural Denominação f y Denominação f y Denominação f y MR 250 AR 350 AR 350 COR AR / CG-26 CG CF-26 CF-28 CF / / / / / /490 ABNT NBR 5000 ABNT NBR 5004 ABNT NBR 5008 Chapas finas de aço de baixa liga e alta resistência mecânica Chapas grossas de aço de baixa liga e alta resistência mecânica Denominação G-30 G-35 G-42 G-45 f y Denominação F-32/Q-32 F-35/Q-35 Q-40 Q-42 Q-45 f y Chapas grossas e bobinas grossas, de aço de baixa liga, resistentes à corrosão atmosférica, para uso estrutural Denominação CGR 400 CGR 500/CGR 500A f y ABNT NBR 5920/ABNT NBR 5921 ABNT NBR 8261 Chapas finas e bobinas finas (a frio/a quente), de aço de baixa liga, resistentes à corrosão atmosférica, para uso estrutural Perfil tubular, de aço-carbono, formado a frio, com e sem costura, de seção circular ou retangular para usos estruturais Denominação f y Denominação Seção circular Seções quadrada e retangular f y f y CFR 400 CFR / / /380 /490 B C Tabela 1.2: Aços especificados por norma brasileira para uso estrutural 2, Tabela A.1 da NBR Para limitações de espessura, ver norma correspondente. 1-6

7 Classificação Denominação Produto Grupo de perfil 3 4 ou faixa de espessura disponível Grau fy fu Aços-Carbono A36 Perfis 1, 2 e a Chapas e Barras 5 t 200 mm 500 A500 Perfis 4 A B Aços de baixa A572 Perfis 1, 2 e liga e alta resistência mecânica 1 e Chapas t 150 mm t 100 mm t 50 mm t 31,5 mm A992 6 Perfis 1, 2 e a Aços de baixa liga e alta resistência mecânica resistentes à corrosão atmosférica Aços de baixa liga temperados e autorevenidos A242 Perfis Chapas t 19 mm mm <t 37,5 mm ,5 mm < t 100 mm A588 Perfis 1 e Chapas e Barras t 100 mm mm < t 125 mm mm < t 200 mm A913 Perfis 1 e Tabela 1.3: Aços de uso frequente especificados pela ASTM para uso estrutural, Tabela A.2 da NBR Grupos de perfis laminados para efeito de propriedades mecânicas: Grupo 1: Perfis com espessura de mesa inferior ou igual a 37,5 mm; Grupo 2: Perfis com espessura de mesa superior a 37,5 mm e inferior ou igual a 50 mm; Grupo 3: Perfis com espessura de mesa superior a 50 mm; Grupo 4: Perfis tubulares. 4 t corresponde à menor dimensão ou ao diâmetro da seção transversal da barra. 5 Barras redondas, quadradas e chatas. 6 A relação fu/fy não pode ser inferior a 1,