ESTRUTURAS METÁLICAS E DE MADEIRAS PROF.: VICTOR MACHADO

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1 ESTRUTURAS METÁLICAS E DE MADEIRAS PROF.: VICTOR MACHADO

2 UNIDADE II - ESTRUTURAS METÁLICAS

3 DEFINIÇÕES As formas mais comuns de metais ferrosos são o aço, o ferro fundido e o ferro forjado, sendo o aço o mais importante dos três atualmente O aço é uma liga formada principalmente por ferro e carbono, e possui outros elementos de dois tipos Elementos residuais do processo de fabricação, como silício, manganês, fósforo e enxofre Elementos adicionados para melhoria das características físicas e mecânicas do material (elementos de liga) Quanto mais carbono adicionamos ao aço, mais resistente ele se torna, porém também se torna mais frágil Quando o aço possui teores normais de elementos residuais, ele é chamado de aço-carbono. Quando o aço-carbono é acrescido de elementos de liga ou apresenta altos teores de elementos residuais, ele é chamado de aço-liga

4 TIPOS DE AÇOS ESTRUTURAIS Segundo a composição química, os aços utilizados em estruturas são divididos em aços-carbono e aços de baixa liga Aços-carbono São os tipos mais usados O aumento da resistência em relação ao ferro puro é produzido pelo baixo carbono e, em menor escala, pelo manganês Porcentagens máximas de elementos adicionais: Carbono 2,00% Manganês 1,65% Silício 0,60% Cobre 0,35% Em função do carbono, são três categorias: Baixo carbono C < 0,29% Médio carbono 0,30% < C < 0,59% Alto carbono 0,60% < C < 2,00%

5 TIPOS DE AÇOS ESTRUTURAIS O aumento do teor de carbono eleva a resistência do aço, mas diminui sua ductilidade (capacidade de se deformar), podendo trazer problemas na soldagem Usualmente utilizam-se aços com baixo teor de carbono Tipos mais comuns de aço-carbono utilizado em estruturas: Especificação Teor de carbono % Limite de escoamento f y (MPa) Resistência à ruptura f u (MPa) ABNT MR250 Baixo ASTM A36 0,25-0, (36ksi) ASTM A307 (parafuso) Baixo ASTM A325 (parafuso) Médio 635 (mín) 825 (mín) EM S235 Baixo

6 TIPOS DE AÇOS ESTRUTURAIS Adicionando alguns elementos de liga, pode-se obter um aumento considerável de resistência mantendo um teor relativamente baixo de carbono, da ordem de 0,20%, e permitindo a soldagem dos aços sem preocupações especiais Tipos mais comuns de aços de baixa liga utilizado em estruturas: Especificação Principais elementos de liga Limite de escoamento f y (MPa) Resistência à ruptura f u (MPa) ASTM A572 grau 50 C < 0,23%; Mn < 1,35% ASTM A588 C < 0,17%; Mn < 1,20%; Cu < 0,50% ASTM A992 C < 0,23%; Mn < 1,50%

7 TIPOS DE AÇOS ESTRUTURAIS Aços com tratamento térmico são menos comuns no uso de perfis, mesmo tendo resistências superiores aos aços sem tratamento térmico, por conta da dificuldade na soldagem No entanto, utilizam-se os parafusos de alta resistência sujeitos a tratamento térmico, com especificação ASTM A325 Na indústria mecânica e em alguns casos na construção civil utilizam-se aços usando a nomenclatura da SAE (Society of Automotive Engineers) Na indústria naval utilizam-se os aços de especificação ASTM A131, com várias subdivisões. Estes aços normalmente possuem alta resistência mecânica, resistência à corrosão e a outras intempéries

8 TRAÇÃO SIMPLES Nas aplicações estruturais, as grandezas mais frequentes são as tensões (s) e as deformações (e) Considere uma barra reta, com uma força F de tração aplicada no seu eixo. Este estado de solicitação é chamado de tração simples. Considerando a área da seção transversal igual a A, temos que a tensão normal s é igual a σ = F A No caso da tração simples, as tensões são iguais em todos os pontos da seção transversal Se l o é um comprimento arbitrário medido na barra sem a aplicação da força F, sob o efeito desta força o comprimento terá aumentado para (l o + Dl). Define-se como alongamento unitário e (deformação) a relação ε = l l o

9 TRAÇÃO SIMPLES A Lei de Hooke afirma que, dentro do regime elástico, as tensões s são proporcionais às deformações e. O coeficiente de proporcionalidade E se denomina módulo de deformação longitudinal ou módulo de elasticidade, ou módulo de Young. σ = E. ε O módulo de elasticidade é praticamente igual para todos os tipos de aço, variando entre 200GPa e 210GPa

10 TRAÇÃO SIMPLES Ensaio de tração simples É muito utilizado para se obter as propriedades mecânicas dos aços As mesmas propriedades podem ser usadas para a compressão, desde que se despreze os efeitos de flambagem Aplica-se uma força crescente de tração A cada incremento, mede-se o alongamento Dl Se plotarmos o alongamento unitário e a tensão, teremos um diagrama tensão-deformação do aço

11 TRAÇÃO SIMPLES Ensaio de tração simples A inclinação do trecho retilíneo é o módulo de elasticidade E do aço Ultrapassando o regime elástico, o material apresenta uma propriedade, chamada escoamento ou cedência, que é caracterizada pelo aumento da deformação com tensão constante A tensão que produz esse escoamento chama-se limite de escoamento (f y ) Para deformações superiores ao patamar de escoamento, o material apresenta um acréscimo de tensões (encruamento) Utiliza-se como tensão limite o limite de escoamento

12 CISALHAMENTO SIMPLES Ensaio de cisalhamento simples Neste ensaio, obtém-se um diagrama semelhante ao de tensão x deformação, chamado de diagrama tensão cisalhante t x distorção g A inclinação deste diagrama é o chamado módulo de cisalhamento G, em que a relação é demonstrada G = E υ n é o coeficiente de deformação transversal (Poisson) Normalmente, n = 0,3 e G = MPa A tensão de escoamento ao cisalhamento f v é proporcional a f y, na relação f v 0,6. f y

13 PROPRIEDADES DOS AÇOS Características físicas Módulo de elasticidade E = MPa Coeficiente de Poisson n = 0,3 Coeficiente de dilatação térmica b = C -1 Massa específica r a = 7850 kg/m³ Ductilidade: capacidade de se deformar sob a ação das cargas. Usualmente é desejável que um aço estrutural seja dúctil, para que ele sofra deformações plásticas quando submetidos a tensões elevadas, sendo capaz de redistribuir as tensões Fragilidade: é o oposto da ductilidade, podendo apresentar em um aço pela ação de vários agentes, como baixas temperaturas, efeitos térmicos locais (como solda elétrica), etc.

14 PROPRIEDADES DOS AÇOS Resiliência e tenacidade: relacionadas com a capacidade do metal de absorver energia mecânica. Resiliência é a capacidade de absorver energia mecânica em regime elástico. Já tenacidade é a energia total (elástica e plástica) que o aço pode absorver por unidade de volume até a sua ruptura Dureza: resistência ao risco ou abrasão Efeito de temperatura elevada: temperaturas acima de 100 C tendem a eliminar o limite de escoamento bem definido, tornando o diagrama tensão x deformação mais arredondado. Temperaturas elevadas reduzem f y, f u e E. Temperaturas ainda mais elevadas, acima de 250 C, podem provocar fluência nos aços Fadiga: é a redução da resistência do material devido a esforços repetidos em grande número Corrosão: reação do aço com alguns elementos presentes no ambiente, promovendo a perda de seção das peças de aço

15 PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS Tipos de produtos estruturais Produtos laminados Chapas Barras Perfis laminados Produtos por trefilação Fios Cordoalhas Cabos Derivados de chapas Perfis de chapa dobrada Perfis soldados

16 PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS Produtos laminados Barras: uma dimensão superior às outras duas Chapas: duas dimensões superiores à terceira Chapas grossas: espessura superior a 5,0mm e fabricadas a quente Chapas finas: fabricadas a quente (espessura entre 1,2 e 5,0mm) ou a frio (espessuras inferiores a 2,65mm) Perfis laminados Perfis C ou U Perfis L, ou cantoneiras Perfis I, com flanges de faces internas inclinadas, perfis W, com flanges de faces paralelas e perfis H/HP, com flanges de faces paralelas e largura aproximadamente igual à altura Trilhos Tubos de seção retangular, quadrada ou circular

17 ELEMENTOS ESTRUTURAIS Barras Elementos alongados, em que as dimensões transversais são pequenas em relação ao comprimento Podem ser classificadas em Tirantes (tração axial) Colunas ou escoras (compressão axial) Vigas (cargas transversais produzindo momentos fletores e esforços cortantes) Eixos (torção) Na prática, os elementos trabalham sob a ação de solicitações combinadas (flexotração e flexocompressão)

18 ELEMENTOS ESTRUTURAIS Placas: elementos de espessura pequena em relação à largura e ao comprimento. São usadas isoladamente ou como elementos constituintes de sistemas planos ou espaciais Sistemas planos de elementos lineares São formados pela combinação dos principais elementos lineares, constituindo as estruturas portantes Treliças: as barras trabalham predominantemente a tração ou compressão simples Grelha plana: formada por dois feixes de vigas, suportando conjuntamente cargas atuando na direção perpendicular ao plano da grelha. São usadas em pisos de edifícios e superestruturas de pontes Pórticos: sistemas formados por associação de hastes com ligações rígidas entre si

19 ELEMENTOS ESTRUTURAIS

20 ELEMENTOS ESTRUTURAIS Comportamento das ligações Temos dois tipos ideais de ligações: perfeitamente rígidas ou rotuladas Não conseguimos materializar completamente essas ligações ideais, mas fazemos aproximações

21 ELEMENTOS ESTRUTURAIS Estruturas aporticadas Pórticos com ligações rígidas - estável para ação das cargas verticais e horizontais Estrutura contraventada com ligações flexíveis - estável para ação das cargas verticais, mas pouco estável para cargas horizontais - necessário associar com uma estrutura com grande rigidez à flexão (contraventamento), composta de uma ou mais paredes diafragma ou paredes de cisalhamento, ou um trecho da estrutura treliçado Ligações mais simples e de menor custo em relação às ligações rígidas, mas concentra reações horizontais nos pilares do contraventamento

22 ELEMENTOS ESTRUTURAIS Sistemas de piso para edificações Usualmente são compostas de vigas principais e secundárias, associadas a painéis de laje de concreto armado Com as vigas secundárias pouco espaçadas, as lajes trabalham armadas na direção do menor vão Sendo assim, as cargas das lajes são transferidas para as vigas secundárias, que por sua vez transmitem para as vigas principais, e essas transmitem para os pilares As vigas secundárias podem ser constituídas de elementos treliçados, chamados joists A laje pode ser pré-moldada ou in loco (podendo ser apenas de concreto ou mista de aço e concreto, como steel decks)

23 MÉTODOS DE CÁLCULO Os objetivos de um projeto estrutural são: Garantia da segurança estrutural evitando-se o colapso da estrutura Garantia do bom desempenho da estrutura, evitando-se a ocorrência de grandes deslocamentos, vibrações e danos locais Fases de um projeto estrutural Anteprojeto ou projeto básico - definição do sistema estrutural, dos materiais a serem utilizados e do sistema construtivo Dimensionamento ou cálculo estrutural - definidas as dimensões dos elementos da estrutura e suas ligações Detalhamento - são elaborados os desenhos executivos da estrutura contendo as especificações de todos os seus componentes

24 MÉTODOS DE CÁLCULO Verificação à segurança Até os anos 1980, era utilizado o Método das Tensões Admissíveis, em que as tensões de resistência dos materiais eram minoradas e comparadas com as cargas atuantes Hoje em dia, utiliza-se o Método dos Coeficientes Parciais ou Método dos Estados Limites. Neste caso, aplicamos fatores de majoração das cargas e minoração das resistências O Método dos Estados Limites exige a verificação em dois estados distintos Estado Limite Último Estado Limite de Utilização ou de Serviço

25 MÉTODOS DE CÁLCULO Estados Limites Últimos A garantia da segurança no método dos estados limites é traduzida pela equação de conformidade, para cada seção da estrutura S d = S γ fi F i < R d = R(f i /γ m ) onde a solicitação de projeto S d é menor que a resistência de projeto R d A solicitação de projetos é obtida a partir de uma combinação de ações F i, majoradas por um coeficiente g fi, enquanto que a resistência de projeto é função da resistência característica do material f k, minorada pelo coeficiente g m Para o aço estrutural, pinos e parafusos, ao analisar nos estados limites de escoamento e flambagem, utilizamos g m = 1,10

26 MÉTODOS DE CÁLCULO Estados Limites de Utilização Após as combinações dos carregamentos para as situações dos estados limites de utilização, dependendo de suas frequências (quase permanentes, frequentes ou raras), verificamos os deslocamentos máximos relativos na estrutura, e comparamos com os deslocamentos admissíveis apresentados na NBR 8800:2008 Além do estado limite de deformação elástica, deve-se também verificar o estado limite de vibração excessiva, através de análises dinâmicas dos efeitos de vibração do vento e de outras cargas móveis

27 MÉTODOS DE CÁLCULO