ESTRUTURAS METÁLICAS - UFPR CAPÍTULO 1 AÇOS ESTRUTURAIS

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1 ESTRUTURAS METÁLICAS - UFPR CAPÍTULO 1 AÇOS ESTRUTURAIS 1

2 INDICE CAPÍTULO 1 - AÇOS ESTRUTURAIS INTRODUÇÃO - HISTÓRICO CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DAS ESTRUTURAS DE AÇO REFERÊNCIAS NORMATIVAS CARACTERÍSTICAS DO AÇO ESTRUTURAL Composição Propriedades PRODUTOS SIDERÚRGICOS PARA ESTRUTURAS Barras: Chapas: Perfis Laminados, com seção I, H, C (ou U): Perfis Laminados, com seção cantoneira (L): CLASSES DE RESISTÊNCIA DOS AÇOS ESTRUTURAIS

3 CAPÍTULO 1 - AÇOS ESTRUTURAIS 1 INTRODUÇÃO - 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 percenual 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

4 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. 2

5 3 REFERÊNCIAS NORMATIVAS Abaixo estão relacionadas as principais normas de referência para projeto de estruturas de metálicas. Norma NBR 6008/6009 NBR 6355 NBR 6657 NBR 8681 NBR 5419 NBR 6123 NBR 6120 NBR 5884 NBR NBR NBR NBR 8800 Título Perfis I e H de abas paralelas, de aço, laminados a quente - Padronização Perfis estruturais de aço formados a frio - Padronização Perfis de Estruturas de Aço Ações e segurança nas estruturas - Procedimento Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas Forças devidas ao vento em edificações - Procedimento Carga para cálculo de estruturas de edificações - Procedimento Perfil I estrutural de aço soldado por arco elétrico Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio Exigências de resistência ao fogo de elementos construtivos - Procedimento Dimensionamento de estruturas de aço em situação de incêndio - Procedimento Projeto e Execução de Estruturas de Aço em Edifícios (Métodos dos Estados Limites) 3

6 4 CARACTERÍSTICAS DO AÇO ESTRUTURAL 4.1 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 dútil 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% 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 diminuida sua ductibilidade Aços 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. 4.2 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: ν a = 0,3; 4

7 d) Coeficiente de Dilatação Térmica: β a = 1,2 x 10-6 o C -1 ; e) Massa específica: ρ a = Kg/m Diagrama tensão deformação: σ a (kn/cm 2 ) f u f y f p ductibilidade encruamento ε (m/m ) No diagrama: f u - Resistência de ruptura do aço à tração ou limite de resistência à tração; f y - Resistência ao escoamento do aço à tensão normal ou limite de escoamento; f p - Limite de proporcionalidade. * A NBR 8800 estabelece no item seus limites de aplicabilidade: Para aplicação da NBR 8800/2008, deve-se obedecer às seguintes condições: Relação f u /f y >=1,18 e f y <=450MPa e qualificação estrutural assegurada por Norma Brasileira; 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. 5

8 4.2.3 Particularidades do comportamento tensão deformação do aço: a) 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. b) 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; c) Temperatura: Ao serem elevadas as temperaturas, os valores de f u, f y e E se reduzem. Para a temperatura de 500 o C, 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; d) 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. f) 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. 6

9 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. 5.1 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. 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 ) Classes de resistência: De acordo com a tabela A.2 da NBR 8800 as barras têm tensão de escoamento variando desde 250 MPa até 450 MPa e tensão de ruptura 400 MPa até 550 MPa. 5.2 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 f y =255 MPa e f u =410 MPa; CF-26, chapa fina com f y =260 MPa e f u =400 MPa; Para aços de baixa liga e alta resistência mecânica: G-35, chapa grossa, f y =345 MPa e f u =450 MPa; F-35, chapa fina, f y =340 MPa e f u =450 MPa; 7

10 5.3 Perfis Laminados, com seção I, H, C (ou U): t f h d t f b f 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. 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. Existem diversos complementos possíveis e algumas nomenclaturas alternativas, por exemplo: Perfil W d x massa linear Perfil HP d x massa linear perfil I de aba larga (tabela de perfis USIMINAS) 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). 8

11 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. 5.4 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. A B t 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, f y =250 MPa e f u =400 MPa; Aço de alta resistência AR 350, aço com tensão de escoamento, f y =350 MPa e f u =410 MPa ou f u =485 MPa. Existe também o aço com maior resistência à corrosão: COR AR 415, f y =415 MPa e f u =520 MPa. Abaixo, estão colocadas as tabelas 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. Obs.: As tabelas foram extraídas do projeto de revisão, mas são idênticas às da versão final da NBR

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