1 - estruturas metálicas -e introdução

8/18/2019 1 - Estruturas Metálicas -E Introdução

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Estruturas Metálicas

INTRODUÇÃO

UNEB – Universidade do Estado da BahiaDCET I – Curso de Engenharia de Produção CivilProf a Ana Gabriela Saraiva

Definições

Formas mais usuais de metais ferrosos: aço, ferrofundido e o ferro laminado.

Aço – é o mais importante dos três. É composto porligas de ferro e carbono, com outros elementos

adicionais como silício, manganês, fósforo e enxofredentre outros. O teor de carbono pode variar desde0,008 a 2,11%. O carbono aumenta a resistência do aço,porém o torna mais duro e frágil. Os aços com baixoteor de carbono têm menor resistência à tração, porémsão mais dúcteis. As resistências à ruptura por traçãoou compressão dos aços utilizados em estruturas sãoiguais variando entre 300 MPa até valores superiores a1200 MPa.



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Definições

Ferro fundido – contém entre 2,0 a 4,3% de carbono. Temboa resistência à compressão (mínima 500 MPa) porém aresistência à tração é apenas cerca de 30% da primeira. Sobefeito de choques mostra-se quebradiço (frágil).

Ferro maleável ou laminado (forjado) - épraticamente um aço de baixo carbono, inferior a 0,12%. Aspequenas partículas de escória espalhadas na massa do

metal se apresentam em forma de fibras, devido aoperações de laminação. Estas fibras de escória permitemdistinguir o ferro maleável do aço com mesmo teor decarbono.


Histórico

Ferro fundido foi o primeiro material siderúrgico usado emconstrução (1780 a 1820) - usado em pontes em arco outreliçadas, sendo a primeira delas na Inglaterra chamadaCoalbrookdale sobre o rio Severn (1779)



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Ferro laminado (forjado) – fins do século XVIII em elementosportantes das pontes suspensas. Ex.: Ponte suspensa de Menai

(país de Gales) construída em 1819 – 1826 com vão de 175metros. Este metal tem boa resistência à corrosão por isso váriasobras deste tipo continuam em perfeito estado até hoje.

Obs.: No Brasil a ponte sobre o rio Paraíba do Sul (RJ)inaugurada em 1857, possui vãos de 30 m com arcos atirantadosde ferro fundido e encaixes e tirantes em ferro laminado.


Histórico

Aço – conhecido desde a antiguidade porém não estava disponível apreços competitivos por falta de processo industrial de fabricação. Oprocesso de fabricação industrial teve início em 1856 com aprimoramentosaté sua produção com laminadores de barras ( 1880).

No Brasil, a indústria siderúrgica foi implantada após a 2ª Guerra Mundialcom a construção da Usina Presidente Vargas da CSN em Volta Redonda(RJ). O primeiro edifício alto em estruturas metálicas no Brasil: Edf.

Avenida Central no RJ construído pela Fábrica de Estruturas Metálicas –

FEM da CSN em 1961.

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Processo de Fabricação

O minério de ferro é colocado no reator onde em temperatura de950°C ocorrerá a redução do minério de ferro (retirada dooxigênio) que é realizada pelo CO + H2 (calor e monóxido decarbono) obtidos a partir da reforma do gás natural.


O produto destaetapa é o ferroesponja, que édescarregado do

reator e enviadopara a aciaria emcorreiastransportadoras.


O ferro esponja e a sucata são carregados num forno elétrico, ondese realiza o processo de fusão a 1600°C. Pela parte inferior doforno são drenadas periodicamente a liga ferro carbono e aescória. O forno funciona continuamente. O produto de alto-fornochama-se ferro fundido ou gusa (pig iron). É uma liga de ferro comalto teor de carbono e diversas impurezas. Uma pequena parte dagusa é refundida para se obter ferro fundido comercial, porém a

maior parte é transformada em aço.



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O refinamento do ferro fundido em aço é feito noconversor de oxigênio e consiste em remover o excesso decarbono e reduzir a quantidade de impurezas a limitesprefixados.

O conversor de oxigênio baseia-se na injeção de oxigêniodentro da massa líquida de ferro fundido. O ar injetadoqueima o carbono na forma de monóxido de carbono (CO) e

dióxido de carbono (CO2), em um processo que dura de 15 a20 min. Elementos como manganês, silício e fósforo sãooxidados com cal e óxido de ferro, formando a escória quesobrenada o aço liquefeito.



O aço líquido é analisado, podendo modificar-se a mistura até seobter a composição desejada. Desse modo, obtém-se aço dequalidade uniforme. Quando as reações estão acabadas, o produto élançado numa panela e a escória descarregada em outro recipiente.



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Após a fusão, o aço líquido é transportado para o forno panelaonde se realiza o ajuste da composição química pois o açolíquido superaquecido absorve gases da atmosfera e oxigênio daescória, assim o gás é expelido lentamente com o resfriamentoda massa líquida, porém, ao se aproximar da temperatura desolidificação, o aço ferve e os gases escapam rapidamente. Aconsequência deste fato é a formação de vazios no aço. Paraevitar isso, os gases devem ser absorvidos, adicionando-seelementos como o alumínio e o silício na panela, em umprocesso conhecido por refinamento.

O processo seguinte é chamado de lingoteamento que consisteem descarregar nas lingoteiras (o aço fundido) que são formasmetálicas especiais permitindo a confecção de blocos,denominados lingotes ou tarugos, de forma tronco-cônica.



O processo seguinte é chamado de lingoteamento queconsiste em descarregar nas lingoteiras (o aço fundido) quesão formas metálicas especiais permitindo a confecção deblocos, denominados lingotes ou tarugos, de forma tronco-

cônica.



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A seguir, o aço é transformado nos principais produtos utilizadospela indústria de construção (chapas, perfis laminados, vergalhões)através do processo conhecido por laminação. Neste processo oslingotes são inicialmente aquecidos ao rubro e introduzidos emlaminadores debastadores, sofrendo deformação física a quente porcompressão de dois cilindros (rolos giratórios) reduzindo sua seçãoe aumentando seu comprimento em passes sucessivos isto é sãonecessárias diversas passagens no laminador nas quais a distânciaentre os rolos é progressivamente reduzida.



Os aços podem passar pela etapa de tratamento térmico queconsiste em recursos auxiliares utilizados para melhorara aspropriedades dos aços (são operações que aquecem o materialà uma determinada temperatura e depois resfriam-no sobcondições pré-estabelecidas). Eles de dividem em dois grupos:

a) Tratamentos destinados principalmente a reduzir tensõesinternas provocadas por laminação, etc. Ex: normalização erecozimento.

b) Tratamentos destinados a modificar a estrutura cristalina,com alteração da resistência e outras propriedades. Ex:têmpera e revenido



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Tipos de Aços Estruturais

Segundo a composição química, os aços utilizados em estruturas sãodivididos em dois grupos: aços de baixa liga e aços de carbono. Os doistipos podem receber tratamentos térmicos que modificam suaspropriedades mecânicas.

Aços de Baixa Liga

Os aços de baixa liga são aços-carbono acrescidos de elementos deliga (cromo, cobre, manganês, molibdênio, níquel, fósforo, vanádio,zircônio) os quais melhoram algumas das propriedades mecânicas.

Os elementos de liga produzem aumento de resistência do aço atravésda modificação da microestrutura para grãos finos. Graças a este fato,pode-se obter resistência elevada com teor de carbono da ordem de0,2%, o que permite a soldagem dos aços sem preocupações especiais.



Aços-carbono

São os tipos mais usados, nos quais o aumento de resistência em relação ao ferro puro éproduzido pelo carbono e, em menor escala, pelo manganês. Eles contêm as seguintesporcentagens máximas de elementos adicionais:

Carbono 1,7% Manganês 1,65%

Silício 0,6% Cobre 0,35%

Em função do teor de carbono,distinguem-se três categorias:

Baixo carbono C 0,29%

Médio carbono 0,30% C 0,59%

Alto carbono 0,60% C 2,0%

O aumento do teor de carbono eleva a resistência do aço,porém diminui a sua ductilidade(capacidade de se deformar). As estruturas usuais de aço, utilizam-se de preferência açoscom teor de carbono baixo até moderado, que podem ser soldados sem precauçõesespeciais.



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Aços com Tratamento Térmico

Tanto os aços carbono quanto os de baixa liga podem ter suasresistências aumentadas pelo tratamento térmico. A soldagem dosaços tratados termicamente é entretanto, mais difícil, o que tornaseu emprego pouco usual em estruturas correntes.

Os parafusos de alta resistência utilizados como conectores sãofabricados com aço de médio carbono sujeito a tratamentotérmico (especificação ASTM A325).

Os aços de baixa liga com tratamento térmico são empregados nafabricação de barras de aço para protensão e também de parafusosde alta resistência (especificação ASTM A490).


Entidades Normativas para o projeto ecálculo de Estruturas Metálicas

Brasil:ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas

EUA:ASTM – American Society for Testing and Materials

AISC – American Institute of Steel ConstructionANSI – American Nacional Standards Institute

SAE – Society of Automotive Engineers

Alemanha:DIN – Deutsch Industrie Normen

França:AFNOR – Association Française de Normalisation



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Entidades Normativas para o projeto e cálculo de EstruturasMetálicas

No Brasil é utilizada a norma técnica NB 14 (NBR 8800) de 2008 – Projetoe execução de estruturas de aço de edifícios (Método dos Estados Limites).

Segundo a especificação EB 558/NBR 7007 – Aços para perfis laminados parauso estrutural da ABNT, os aços podem ser enquadrados nas seguintescategorias, designadas a partir do limite de escoamento do aço fy:

MR250 – aço de média resistência (fy = 250 MPa; fu = 400MPa)

AR290 – aço de alta resistência (fy = 290 MPa; fu = 415MPa)

AR345 – aço de alta resistência (fy = 345 MPa; fu = 450MPa)AR-COR-345-A ou B – aço de alta resistência (fy = 345 MPa;

fu = 485MPa), resistente à corrosão

Obs: o aço MR 250 corresponde ao ASTMA36.


Vantagens e Desvantagens do Aço Estrutural

-Vantagens

Fabricação das estruturas com precisão milimétrica, possibilitandoum alto controle de qualidade do produto acabado;

Garantia das dimensões e propriedades dos materiais;

Material resistente a vibração e choques; Possibilidade de execução de obras mais rápidas e limpas; Em caso de necessidade, possibilita a desmontagem das estruturas e

sua posterior montagem em outro local; Alta resistência estrutural, possibilitando a execução de estruturas

leves para vencer grandes vãos; Possibilidade de reaproveitamento dos materiais em estoque, ou

mesmo, sobras de obra.



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Vantagens e Desvantagens do Aço Estrutural

- Desvantagens

Limitação de execução em fábrica em função dotransporte até o local de sua montagem final;

Necessidade de tratamento superficial das peças contraoxidação devido ao contato com o ar atmosférico;

Necessidade de mão de obra e equipamentos

especializados para sua fabricação e montagem; Limitação de fornecimento de perfis estruturais.


Aplicação das Estruturas Metálicas

Telhados Guindastes Edifícios industriais e comerciais Postes Residências Passarelas Hangares Indústria naval Pontes e viadutos Escadas Reservatórios Mezaninos Pontes rolantes e equipamentos de transporte Torres


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