Introdução ao estudo das Estruturas Metálicas

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1 Introdução ao estudo das Estruturas Metálicas Processos de produção Propriedades físicas e mecânicas do aço estrutural FTC-116 Estruturas Metálicas Eng. Wagner Queiroz Silva UFAM Composição do aço O elemento mais importante na formulação do aço é o Carbono. As variações no teor de carbono determinam principalmente alterações na resistência e na maleabilidade do material Quanto maior o teor de carbono maior a resistência mecânica e menor a ductilidade, ou seja, o carbono reduz a capacidade do material de sofrer deformações sem romper Classificação Teor de Carbono Baixo carbono C < 0,29 % Médio carbono 0,30 % < C < 0,59 % Alto carbono 0,60 % < C < 2,00 % Aços para construção civil: teor de carbono da ordem de 0,18% a 0,25% Os aços de teores baixos a moderados são os mais utilizados em estruturas por não necessitarem de cuidados especiais para serem soldados. 1

2 Composição do aço Propriedades do Aço em função do Teor de Carbono Para o aço estrutural é desejado Boa ductilidade Homogeneidade material Soldabilidade Elevada relação entre a tensão resistente e a de escoamento Almeja-se ainda adequada resistência à corrosão Composição do aço 2

3 Processo de Produção do Aço Processo de Produção do Aço 1. Sinterização O minério de ferro é tratado para atingir a granulometria adequada para a produção do aço. 3

4 Processo de Produção do Aço 2. Coqueria O ferro passa por uma bateria de fornos para destilação do carvão, com liberação de substâncias voláteis, à temperatura de ºC. Processo de Produção do Aço 3. Alto Forno O minério de ferro livre de impurezas é transformado em gusa, um material quebradiço que será transformado em aço. 4

5 Processo de Produção do Aço 4. Transporte da Gusa O ferro-gusa é uma liga de ferro e carbono, contendo de 3,5 a 4,5% de carbono e outros elementos residuais como silício, manganês, fósforo, enxofre, etc. A gusa é transportada para uma refinaria. Processo de Produção do Aço 5. Aciaria A gusa é refinada em aço, através da mistura da gusa com oxigênio em um forno de alta temperatura. 5

6 Processo de Produção do Aço 6. Lingotamento Contínuo O aço é solidificado em moldes, formando placas. Processo de Produção do Aço 7. Laminação de chapas As chapas grossas de aço passam por laminadores, diminuindo sua espessura. 6

7 Processo de Produção do Aço 7. Laminação de perfis As chapas grossas de aço passam por laminadores, tomando as formas dos perfis desejados Processo de Produção do Aço 7

8 Laminador de Perfis Laminação 8

9 Principais Produtos Comercializados Atualmente, os principais produtos de aço utilizados na construção civil disponíveis no mercado são: Chapas Grossas: Laminadas a quente; Chapas Finas: Laminadas a quente ou a frio; Principais Produtos Comercializados Perfis Laminados: Perfis Compostos: Perfis Soldados: Perfis Formados a frio: 9

10 Principais Produtos Comercializados Tubos sem costura (extrudado): Tubos com costura (formados a frio): Identificação 10

11 Estruturas em perfil de aço Normas brasileiras relacionadas: ABNT NBR 8800:2008 ABNT NBR 14762:2010 Perfis laminados de seção aberta 11

12 Nomenclatura de perfis Perfil I: S (standard beam), com mesas de faces internas inclinadas; Perfis tipo I aba larga e H: W (wide flange), com mesas de faces paralelas; HP, com mesas de faces paralelas e espessura constante. I (S) W HP 12

13 Perfis Soldados (NBR 5884: 2005) 13

14 Exemplo: Perfis soldados série VS Perfis formados a frio (NBR 6355:2003) Dimensionamento de acordo com a NBR 14762:

15 Perfilagem (Matrizes rotativas) Tolerâncias 15

16 Classificação do Aço Estrutural Aço-carbono: Média resistência mecânica (MR) Baixa liga e Alta resistência mecânica (AR) Aço Patinável: Média resistência mecânica (MR-COR) Alta resistência mecânica (AR-COR) Comportamento Tensão-Deformação São utilizados corpos-de-prova em ensaios de tração para medir a deformação do aço mediante a aplicação de carregamentos: Ensaios de Tração (ASTM A370) 16

17 Comportamento Tensão-Deformação A relação entre tensão e deformação, dada pela Lei de Hooke, pode ser verificada em laboratório Expressões de interesse: σ = N A L ε = = L ( L L ) L Lei de Hooke: σ = E ε 17

18 Comportamento Tensão-Deformação A partir dos dados coletados nos ensaios mecânicos de tração, podemos traçar um gráfico que relaciona Tensão e Deformação: Comportamento Tensão-Deformação 18

19 Comportamento Tensão-Deformação Propriedades mecânicas do aço Ductilidade: Capacidade de deformação do material antes da ruptura; Fragilidade: Característica dos materiais que rompem bruscamente, sem apresentar deformações consideráveis; Resiliência: Capacidade de absorver energia em regime elástico, ou seja, a capacidade de restituir a energia mecânica absorvida; Tenacidade: Capacidade de absorver energia mecânica com deformações elásticas e plásticas até a ruptura; Fadiga: Efeito que causa a ruptura, sempre de forma frágil, de um material quando este está sob esforços repetitivos ou cíclicos; Dureza: é a resistência ao risco ou abrasão, ou seja, a resistência que a superfície do material oferece à penetração de uma peça de maior dureza. 19

20 Ductilidade e Fragilidade Material frágil: menor tenacidade (área em azul); Material dúctil: maior tenacidade (área em vermelho). Ruptura Ruptura dúctil: Grandes deformações em torno da seção de ruptura Ruptura frágil: Nenhuma deformação notável em torno da seção de ruptura 20

21 Propriedades mecânicas do aço Segundo a NBR 8800:2008, as propriedades mecânicas do aço estrutural para efeito de cálculo são: Módulo de Elasticidade: E = MPa = 200 GPa; Coeficiente de Poisson: υ = 0,3; Módulo de Elasticidade Transversal: G = MPa = 77 GPa; Coeficiente de Dilatação Térmica: β = 1,2 x 10-5 C -1 ; Massa específica: ρ = 7850 kg/m 3 ; Principais tipos de Aços Estruturais e Materiais de Ligação Tabelas extraídas do Anexo A da norma ABNT NBR 8800:

22 Aços para Uso Estrutural Tabela A.1 Aços especificados por Normas Brasileiras para uso estrutural Aços para Uso Estrutural Tabela A.1 Aços especificados por Normas Brasileiras para uso estrutural 22

23 Aços para Uso Estrutural Tabela A.1 Aços especificados por Normas Brasileiras para uso estrutural Aços para Uso Estrutural Tabela A.2 Aços de uso frequente especificados pela ASTM para uso estrutural 23

24 Aços para Uso Estrutural Tabela A.2 Aços de uso frequente especificados pela ASTM para uso estrutural Aços mais Empregados - Chapas Os tipos de aço estrutural mais empregados na construção civil são: 24

25 Aços mais Empregados Perfis Laminados Os tipos de aço estrutural mais empregados na construção civil são: Valor de projeto das resistências Resistências devem ser minoradas (segurança) 25

26 Aço Patinável É um tipo de aço que contém em sua composição elementos que melhoram suas propriedades anticorrosivas, apresentando em média 3 vezes mais resistência à corrosão que o aço comum. Sua utilização é voltada para ambientes agressivos, como regiões de orla marítima e regiões que apresentam grande poluição de dióxido de enxofre. Aço Patinável 26

27 Comportamento sobre Altas Temperaturas Comportamento sobre Altas Temperaturas 27

28 Exercícios propostos Foi realizado um ensaio de tração em um corpo de prova de aço de seção retangular de 2 mm x 12 mm e comprimento inicial de 50 mm No ensaio foram observados os seguintes resultados: Início do escoamento da barra ocorreu para uma força de tração de 6,77 kn e o comprimento alongado medido naquele instante foi de 50,067 mm A barra atingiu o valor de força de tração máximo de 9,24 kn antes de romper Traçar esquematicamente o diagrama tensão-deformação deste aço Determinar os valores da tensão de escoamento (f y ), da tensão de ruptura (f u ) em Mpa e do módulo de elasticidade em GPa Respostas: f y = 282 MPa; f u = 385 MPa; E = 210,5 GPa Exercícios Propostos Por que durante o processo de fabricação dos aços remove-se uma certa quantidade de carbono do ferro fundido se o carbono aumenta a resistência do aço? Explique o que é ductilidade e qual a importância desta característica do aço para sua utilização em estruturas 28

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