Baixe Propriedades e Características do Aço: Exercícios e Explicações e outras Exercícios em PDF para Estruturas Metálicas e Construção Mista, somente na Docsity!
Acadêmica: Jéssica Caroline Gomes Evangelista Atividade 3 – Propriedades e Características do Aço
- Em relação ao material aço, defina detalhadamente, com exemplos, caso sejanecessário: a. Processo de Fabricação; O principal processo de fabricação do aço consiste na produção de ferro fundido no alto-forno e posterior refinamento em aço no conversor de oxigênio. O outro processo utilizado consiste em fundir sucata de ferro em forno elétrico cuja energia é fornecida por arcos voltaicos entre o ferro fundido e os eletrodos. Em ambos os processos, o objetivo é o refinamento do ferro fundido, ao qual são adicionados elementos de liga para produzir o aço especificado. b. Tipos de aços estruturais: a. Classificação; Segundo a composição química, os aços utilizados em estruturas são divididos em dois grupos: aços-carbono e aços de baixa liga. Os dois tipos podem receber tratamentos térmicos que modificam suas propriedades mecânicas. b. Aços-carbono; Os aços-carbono são os tipos mais usados, nos quais o aumento de resistência em relação ao ferro puro é produzido pelo carbono e, em menor escala, pelo manganês. Os principais tipos de aço-carbono usados em estruturas, segundo os padrões da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), da ASTM (American Society for Testing and Materials) e das normas européias EN, são os apresentados na seguinte tabela: Tabela 1. Propriedades Mecânicas de Aços-carbono. Especificação Teor de carbono % Limite de escoamento fy (MPa) Resistência à ruptura fu (MPa) ABNT MR250 baixo 250 400 ASTM A7 240 370- ASTM A36 0,25-0,29 250 (36 ksi) 400- ASTM A307 (parafuso) baixo — 415 ASTM A325 (parafuso) médio 635 (min) 825 (min) EN S235 baixo 235 360
c. Aços de baixa liga; Os aços de baixa liga são aços-carbono acrescidos de elementos de liga (cromo colúmbio, cobre, manganês, molibdênio, níquel, fósforo, vanádio, zircônio), os quais melhoram algumas propriedades mecânicas. Alguns elementos de liga produzem aumento de resistência do aço através da modificação da microestrutura para grãos finos. Graças a esse fato, pode-se obter resistência elevada com teor de carbono de ordem de 0,20%, o que permite a soldagem dos aços sem preocupações especiais. Na próxima tabela é resumido alguns tipos de aços de baixa liga usados em estruturas. Tabela 2. Propriedades Mecânicas de Aços de Baixa Liga. Especificação Principais elementos de liga Limite de escoamento fy (MPa) Resistência à ruptura fu (MPa) ASTM 572 Gr. 50 C < 0,23% Mn < 1,35% 345 450 ASTM A588 C < 0,17% Mn < 1,2% Cu <0,50% 345 485 ASTM A992 C < 0,23% Mn < 1,5% 345 450 d. Aços em tratamento térmico; Tanto os aços-carbono quanto os de baixa liga podem ter suas resistências aumentadas pelo tratamento térmico. A soldagem dos aços tratados termicamente é, entretanto, mais difícil, o que torna seu emprego pouco usual em estruturas correntes. Os parafusos de alta resistência utilizados como conectores são fabricados com aço de médio carbono sujeito a tratamento térmico (especificação ASTM A325). Os aços de baixa liga com tratamento térmico são empregados na fabricação de barras de aço para protensão e de parafusos de alta resistência (especificação ASTM A490). c. Ensaios de tração e cisalhamento simples: a. Tensões e deformações; Nas aplicações estruturais, as grandezas utilizadas com mais freqüência são as tensões (σ) e as deformações (ε). Dividindo a força F pela área A da seção transversal, obtemos a tensão normal σ.
Em regime elástico demonstra-se a relação 𝐺 =
onde ν = coeficiente de deformação transversal (Poisson). Para o aço, com ν = 0, resulta G = 77.000 MPa. Fig. 1. Ensaio de cisalhamento simples. A tensão de escoamento a cisalhamento fv, obtida nos ensaios de cisalhamento, é proporcional à tensão de escoamento em tração simples fy. Experimentalmente obtém-se a relação: 𝑓௩ ≅ 0,6𝑓௬ d. Propriedades dos aços: a. Constantes físicas do aço; As seguintes características físicas podem ser adotadas em todos os tipos de aço estrutural na faixa normal de temperaturas atmosféricas: Módulo de deformação longitudinal ou módulo de elasticidade E = 200.000 MPa; Coeficiente de Poisson ν = 0,3; Coeficiente de dilatação térmica β = 12 × 10−6^ por °C; Massa específica ρa = 7850 kg/m^3
b. Ductilidade; Denomina-se ductilidade a capacidade de o material se deformar sob a ação das cargas. Os aços dúcteis, quando sujeitos a tensões locais elevadas, sofrem deformações plásticas capazes de redistribuir as tensões. Esse comportamento plástico permite, por exemplo, que se considere numa ligação parafusada distribuição uniforme da carga entre parafusos. Além desse efeito local, a ductilidade tem importância porque conduz a mecanismos de ruptura acompanhados de grandes deformações que fornecem avisos da atuação de cargas elevadas. A ductilidade pode ser medida pela deformação unitária residual após ruptura do material. As especificações de ensaios de materiais metálicos estabelecem valores mínimos de elongação unitária na ruptura para as diversas categorias de aços. c. Fragilidade; É o oposto da ductilidade. Os aços podem se tornar frágeis pela ação de diversos agentes: baixas temperaturas ambientes, efeitos térmicos locais causados, por exemplo, por solda elétrica etc. O estudo das condições em que os aços se tornam frágeis tem grande importância nas construções metálicas, uma vez que os materiais frágeis se rompem bruscamente, sem aviso prévio. Dezenas de acidentes com navios, pontes etc. foram provocados pela fragilidade do aço, decorrente de procedimento inadequado de solda. O comportamento frágil é analisado sob dois aspectos: iniciação da fratura e sua propagação. A iniciação ocorre quando uma tensão ou deformação unitária elevada se desenvolve num ponto onde o material perdeu ductilidade. As tensões elevadas podem resultar de tensões residuais, concentração de tensões, efeitos dinâmicos etc. A falta de ductilidade pode originar-se de temperatura baixa, estado triaxial de tensões, efeito de encruamento, fragilização por hidrogênio etc. Uma vez iniciada, a fratura se propaga pelo material, mesmo em tensões moderadas. d. Resiliência e tenacidade (Como se calcula essas propriedades através do diagrama de tensão x deformação?); Estas duas propriedades se relacionam com a capacidade do metal de absorver energia mecânica. Elas podem ser definidas com auxílio dos diagramas
As temperaturas elevadas, acima de 250 a 300°C, provocam também fluência nos aços. g. Fadiga; A resistência à ruptura dos materiais é, em geral, medida em ensaios estáticos. Quando as peças metálicas trabalham sob efeito de esforços repetidos em grande número, pode haver ruptura em tensões inferiores às obtidas em ensaios estáticos. Esse efeito denomina-se fadiga do material. A resistência à fadiga é geralmente determinante no dimensionamento de peças sob ação de efeitos dinâmicos importantes, tais como peças de máquinas, de pontes etc. A resistência à fadiga das peças é fortemente diminuída nos pontos de concentração de tensões, provocadas, por exemplo, por variações bruscas na forma da seção, indentações devidas à corrosão etc. h. Corrosão; Denomina-se corrosão o processo de reação do aço com alguns elementos presentes no ambiente em que se encontra exposto, sendo o produto desta reação muito similar ao minério de ferro. A corrosão promove a perda de seção das peças de aço, podendo se constituir em causa principal de colapso. A proteção contra corrosão dos aços expostos ao ar é usualmente feita por pintura ou por galvanização. A vida útil da estrutura de aço protegida por pintura depende dos procedimentos adotados para sua execução nas etapas de limpeza das superfícies, especificação da tinta e sua aplicação. Em geral, as peças metálicas recebem uma ou duas demãos de tinta de fundo (primer) após a limpeza e antes de se iniciar a fabricação em oficina, e posteriormente são aplicadas uma ou duas demãos da tinta de acabamento. A galvanização consiste na adição, por imersão, de uma camada de zinco às superfícies de aço, após a adequada limpeza das mesmas. Alternativamente, a adição de cobre na composição química do aço aumenta sua resistência à corrosão atmosférica. O aço resistente à corrosão, ao ser exposto ao ar, desenvolve uma película (pátina) produzida pela própria corrosão, que se transforma em uma barreira reduzindo a evolução do processo. Algumas providências adotadas no projeto contribuem para o aumento da
vida útil da estrutura de aço exposto ao ar, tais como evitar pontos de umidade e sujeira, promover a drenagem e aeração e evitar pontos inacessíveis à manutenção e pintura. Deve-se também evitar o contato entre metais diferentes (por exemplo, aço e alumínio), intercalando entre eles um isolante elétrico. e. Produtos Siderúrgicos Estruturais: a. Tipos de produtos estruturais; As usinas produzem aços para utilização estrutural sob diversas formas: chapas, barras, perfis laminados, fios trefilados, cordoalhas e cabos. Os três primeiros tipos são fabricados em laminadores que, em sucessivos passes, dão ao aço preaquecido a seção desejada. Os fios trefilados são obtidos puxando uma barra de aço sucessivamente por meio de fieiras com diâmetros decrescentes. A trefilação é feita a frio, utilizando-se lubrificantes para evitar superaquecimento dos fios e das fieiras. As cordoalhas e os cabos são formados por associação de fios. Perfis estruturais podem ainda ser fabricados por dobramento de chapas (perfis de chapa dobrada) e por associação de chapas através de solda (perfis soldados). b. Produtos laminados; Os produtos laminados, em geral, se classificam em barras, chapas e perfis. Barras: As barras são produtos laminados nos quais duas dimensões (da seção transversal) são pequenas em relação à terceira (comprimento). As barras são laminadas em seção circular, quadrada ou retangular alongada. Estas últimas chamam-se comumente de barras chatas. Chapas: As chapas são produtos laminados, nos quais uma dimensão (a espessura) é muito menor que as outras duas (largura e comprimento). Perfis Laminados: Os laminadores produzem perfis de grande eficiência estrutural, em forma de H, I, C, L, os quais são denominados correntemente perfis laminados. Os perfis tipo H, I e C são produzidos em grupos, sendo os elementos de cada grupo de altura h constante e largura das abas b variável. A variação da largura se obtém aumentando o espaçamento entre os rolos laminadores de maneira que a espessura da alma tem variação igual à da largura das abas. Os perfis C são correntemente denominados perfis U.
Os conectores (rebites, parafusos) são colocados em furos que atravessam as peças a ligar. A ligação por solda consiste em fundir as partes em contato de modo a provocar coalescência das mesmas. f. Perfis soldados e perfis compostos; Os perfis são formados pela associação de chapas ou de perfis laminados simples, sendo a ligação, em geral, soldada. , A norma brasileira NBR 5884:1980 padronizou três séries de perfis soldados:
Perfis CS (colunas soldadas)
Perfis VS (vigas soldadas)
Perfis CVS (colunas e vigas soldadas)
Na figura seguinte podemos ver perfis compostos formados pela associação de perfis laminados simples. Esses perfis compostos são evidentemente mais caros que os laminados simples. Seu emprego se justifica para atender as conveniências de cálculo, como, por exemplo, em colunas ou estacas onde se deseja momento de inércia elevado nas duas direções principais. Fig. 2. Perfis compostos de chapas (perfis soldados) ou de perfis laminados. f. Tensões Residuais (explique e forneça métodos de correção) e Diagrama de Tensão – Deformação de Perfis Simples ou Compostos em Aços com Patamar de Escoamento; As tensões residuais conduzem a um diagrama tensão–deformação do aço em perfil, no qual a transição do regime elástico para o patamar de escoamento é mais gradual. Esse diagrama é obtido por ensaio do perfil (e não de uma pequena amostra sem tensão residual). Denomina-se limite de proporcionalidade do aço em perfis a tensão acima da qual o diagrama σ, ε deixa de ser linear. Isto ocorre para uma tensão média menor do que fy devido à plastificação localizada originada da adição das tensões residuais às tensões de origem mecânica.
Os aços MR250 e AR350, em perfis simples ou compostos, apresentam valores do limite de proporcionalidade fel da ordem de 80% dos respectivos limites de escoamento em barras. Fig. 3. (a) Aspecto das tensões residuais em um perfil I soldado; (b) Diagrama σ, ε para perfis simples ou compostos (aço com patamar de escoamento). Tabela 3. Propriedades Mecânicas de Aços (Perfis Laminados ou Soldados) Tipos de aço fel(MPa) fy(MPa) MR250 200 250 AR350 280 350 g. Sistemas Estruturais em Aço: a. Elementos estruturais; Os principais elementos estruturais metálicos são: Elementos lineares alongados, denominados hastes ou barras. Elementos bidimensionais, geralmente denominados elementos planos, constituídos por placas ou chapas. Hastes: As hastes formam elementos alongados cujas dimensões transversais são pequenas em relação ao comprimento. Dependendo da solicitação predominante, as hastes podem ser classificadas em: –Tirantes (tração axial) –Colunas ou escoras (compressão axial) –Vigas (cargas transversais produzindo momentos fletores e esforços cortantes) –Eixos (torção). Placas: As placas são elementos de espessura pequena em relação à largura e ao comprimento. As placas são utilizadas isoladamente ou como elementos constituintes de sistemas planos ou espaciais.
e. Sistemas de piso para edificações; As estruturas de piso em edificações são, em geral, 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 verticais atuantes no piso são transferidas da laje para as vigas secundárias as quais se apoiam nas vigas principais e estas, por sua vez, as transmitem aos pilares. Além de transferir as cargas verticais aos pilares, os sistemas de piso são também responsáveis por distribuir entre os pilares e subestruturas de contraventamento as cargas de vento atuantes nas fachadas. f. Galpões industriais simples; As terças são vigas longitudinais (com comprimentos de vão em torno de 6 m) dispostas nos planos da cobertura e destinadas a transferir à estrutura principal as cargas atuantes naqueles planos, tais como peso do telhamento e sobre pressões e sucções devidas ao vento. As cargas de vento (V) produzem nas terças flexão reta em torno do eixo de maior inércia, enquanto as cargas gravitacionais (G) produzem flexão oblíqua. O espaçamento entre as terças é definido pelo vão das chapas que compõem o telhamento e situa-se em geral na faixa entre 2 e 4 m para chapas metálicas. O cobrimento das faces laterais dos galpões é em geral também executado com chapas corrugadas de aço, as quais se apoiam nas vigas de tapamento lateral. Essas vigas destinam-se também a transferir as cargas de vento das fachadas às estruturas principais através do apoio dessas vigas diretamente nas colunas dos pórticos principais. Para reduzir o vão das vigas de tapamento são instalados os tirantes de tapamento, os quais mobilizam a viga longitudinal superior e o contraventamento longitudinal no plano do telhado para transferir as cargas de vento às colunas principais. Podem também ser instaladas colunas de tapamento com fundação própria. Os sistemas de contraventamento são feitos por barras associadas geralmente em forma de X compondo sistemas treliçados. Esses sistemas são destinados principalmente a fornecer estabilidade espacial ao conjunto, além de distribuir as cargas de vento. Por exemplo, o contraventamento no plano da cobertura é essencial para a estabilidade lateral do banzo superior da treliça, comprimido por ação das cargas. A flambagem desses elementos comprimidos pode se dar no plano horizontal
(ou plano da cobertura) e o contraventamento neste plano serve para reduzir os seus comprimentos de flambagem e, portanto, para aumentar suas resistências à compressão. As terças atuam neste sistema transferindo as forças de contenção lateral para o treliçado do contraventamento. No caso em que há predominância da sucção de vento na cobertura sobre as cargas gravitacionais, ocorre inversão de esforços internos nos elementos da treliça, e o banzo inferior passa a sofrer compressão. g. Sistemas de elementos bidimensionais; Os sistemas planos de elementos bidimensionais em aço são constituídos por chapas dobradas ou reforçadas com enrijecedores soldados. As chapas reforçadas com enrijecedores são muito utilizadas como lajes em pontes de grandes vãos, nas quais há interesse em reduzir o peso próprio da estrutura. Essas chapas enrijecidas, têm inércia maior em uma direção. Por esse motivo elas são chamadas placas ortogonalmente anisotrópicas ou ortotrópicas. Este é o sistema utilizado no tabuleiro dos vãos metálicos da Ponte Rio-Niterói. h. Aço patinável; O aço patinável, mais conhecido como Corten, é um aço estrutural de alta resistência e baixa liga utilizado em diversos projetos na construção civil, tanto em aplicações internas quanto externas. O material possui elementos de liga como cobre, cromo, vanádio e outros que, por meio de um processo complexo de reação química em contato com a atmosfera, desenvolve naturalmente uma pátina protetora. Além de proporcionar ao aço patinável visual rústico, com pigmentação vermelho-ferrugem, essa camada de óxido (pátina) também amplia as propriedades anticorrosivas do material, repelindo a entrada de oxigênio e umidade. Inclusive, a denominação Corten, marca registrada da Companhia do Aço dos Estados Unidos (United States Steel Corporation), refere-se a uma junção de “resistência à corrosão” em inglês (corrosion resistance). i. Sistemas de contraventamento. Sistemas estruturais formados por treliças e pórticos dispostos em planos verticais paralelos, como é usual em coberturas, estruturas para galpões e para
