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  • UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARAN Setor de Tecnologia

    Departamento de Construo Civil

    DISCIPLINA MATERIAIS DE CONSTRUO

    AOS PARA CONCRETO Baseada na apostila AOS do Prof. Paulo R. do Lago Helene Adaptao e atualizao (2007) Prof. Jos de Almendra Freitas Jr.

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  • AOS PARA CONCRETO : 1) INTRODUO - Por ao para concreto armado entende-se todos os aos adequados utilizao como armadura nas peas de concreto. Necessitam desenvolver aderncia perfeita e total com o material envolvente, o concreto, a fim de que deste trabalho solidrio resulte uma estrutura de melhor caracterstica resistente e durvel. O concreto armado empregado por Lambot e difundido por Monier, a partir de 1849, na Frana, continua sendo atualmente o material mais empregado pelo homem em construes civis, devido s suas inmeras vantagens tais como, resistncia mecnica, durabilidade, fcil moldagem e segurana contra fogo. O concreto protendido, idealizado por Dhring e estudado por Koenen e Mrsch, na Alemanha, a partir de 1888, representa uma evoluo em relao ao concreto armado, principalmente porque neste caso o concreto no tracionado. Portanto como o ao para concreto protendido entende-se todos os aos adequados a essa protenso ao concreto. Se diferenciam dos aos para concreto armado por sua resistncia trao, consideravelmente mais alta. Existem vrios tipos de ao para armar ou protender, que se distinguem por suas caractersticas geomtricas, pelo tipo de fabricao e pela forma e dimenso da seo transversal. Todo engenheiro civil ou de qualquer outra especialidade necessita conhecer os materiais que lhe so disponveis comercialmente. Qualquer que seja o seu produto, uma casa, uma ponte ou uma barragem, necessrio o conhecimento profundo do comportamento qumico, fsico e mecnico dos materiais que sero utilizados. Esse comportamento, particular a cada material, decorrente da sua microestrutura. Portanto se conhecermos o fundamento desse comportamento poderemos prever as suas propriedades e entender a sua patologia. Esse conhecimento essencial. a ferramenta que impulsiona a tecnologia a desenvolver novos produtos e a corrigir as falhas e deficincias dos existentes. Por outro lado, para a correta aplicao de um material, o que realmente interessa so as suas propriedades tecnolgicas obtidas macroscopicamente. Nesse momento fundamental fixar critrios de medio e julgamento das propriedades dos materiais disponveis no mercado, atravs de ensaios padronizados que forneam elementos para aceitao ou rejeio de um determinado produto, destinado a um uso definido.

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  • Nestas notas, ento comearemos introduzindo alguns termos e medidas utilizadas em engenharia, necessrios compreenso dos textos subsequentes. Em seguida ser enfocada a microestrutura dos metais com base cincia dos materiais, passando pela estrutura, tratamento e tipo de ruptura dos aos. 2) TERMOS E MEDIDAS USADOS EM ENGENHARIA - 2.1) COMPORTAMENTO MECNICO - Tenso ( ) - definida como fora por unidade de rea e expressa em MPa (antigamente kgf/cm, 1 MPa = 10 kgf/cm ). calculada dividindo-se a fora pela rea na qual atua. Compresso Trao

    = N / A = N / A

    Cisalhamento- o esforo cortante que atua numa determinada seo que tende a fazer deslizar uma seo em relao a outra. o resultado de tenses tangenciais.

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  • Protenso - a introduo de uma tenso de compresso a uma pea de concreto, atravs de um ou mais cabos de ao tracionados.

    Deformao - o efeito da tenso. Pode ser expressa em cm deformado por cm (cm/cm), ou em porcentagem do comprimento inicial. A deformao pode ser elstica ou plstica. A deformao plstica irreversvel, o resultado do deslocamento permanente dos tomos que constituem o material. A deformao elstica reversvel; desaparecendo quando a tenso removida. Mdulo de Elasticicade, Mdulo de Young ou Mdulo de Deformao Longitudinal (E) - o quociente entre a tenso aplicada e a deformao elstica resultante. expresso em MPa (antigamente kgf/cm, 1 MPa = 10 kgf/cm ). E = tg

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  • Ductilidade - a deformao plstica total at o ponto de ruptura. Pode ser medida pela estrico que a reduo da rea da seo transversal do material, imediatamente antes da ruptura. expressa em % como sendo : rea inicial - rea final Estrico = x 100 rea inicial Outra unidade de medida de ductilidade o alongamento tambm medido em % sendo igual a : comprimento final - comprimento inicial Alongamento = x 100 comprimento inicial

    Portanto quanto mais dctil um material, maior a reduo de rea ou alongamento antes da ruptura. Estrico de uma barra de ao :

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  • Relaes tenso x deformao - Segundo o seu comportamento frente s tenses os diferentes tipos de materiais podem ser classificados em: Material Frgil = No se deforma plasticamente antes da ruptura. A pouca deformao elstica que o material sofre diretamente proporcional a tenso, obedece a Lei de Hooke at a ruptura. Ex. : ferro fundido, concreto e vidro plano.

    Material dctil com patamar de escoamento = Apresenta um patamar de escoamento definido que caracteriza a tenso fy denominada resistncia de escoamento do ao trao. Ex.: aos doces com baixo teor de carbono, classe A, como os aos para concreto armado CA-25A e CA-50A.

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  • Material dctil sem patamar de escoamento = No apresenta um patamar de escoamento definido. A deformao plstica que se segue elstica no reversvel. A tenso fy convencional, de resistncia de escoamento do ao trao corresponde a uma deformao plstica irreversvel de 0,2%. Ex.: aos para concreto protendido ou para armado classe B (CA-60B).

    Dureza : definida pela resistncia da superfcie do material penetrao. A escala Brinell de dureza BNH (Brinell Hardness Number) um ndice de medida de dureza, calculado a partir da rea de penetrao de uma esfera de ao duro ou carbeto de tungstnio no material. A penetrao desta esfera feita a partir de uma fora e tempo padronizados, sendo o BNH obtido pela rea demarcada pelo crculo da calota. A escala Rockwell de dureza pode ser relacionada com a Brinell, mas a medida da profundidade de penetrao da esfera e no pela rea. N 2 N BNH = = rea da calota D [ D - (D-d) ]

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  • Rockwell = P

    A dureza de um material pode ser relacionada com a sua resistncia trao

    ou compresso, desde que se admita o material como homogneo e isotrpico. No entanto devido as suas dificuldades operacionais e as incertezas acarretadas por impreciso de leitura estas determinaes, no so usualmente aconselhadas para o julgamento das propriedades dos aos, sendo preteridas a favor de outras mais significativas.

    Tenacidade : a medida da energia necessria para romper o material. expressa em kgf/cm2. Portanto um material dctil com a mesma tenso de ruptura que um frgil mais tenaz, porque ir requerer uma maior energia para romper-se. Figura

    A energia pode ser medida como rea sob o diagrama tenso x deformao. Neste

    caso A2 > A1 portanto o material 2 mais tenaz.

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  • 2.2) COMPORTAMENTO QUMICO - Quase todos os materiais utilizados em engenharia civil, so passveis de corroso por ataque qumico, em especial no concreto armado. Figura :

    Corroso generalizada das armaduras de um pilar. Notar que a oxidao do ao um fenmeno expansivo que inclusive rompe o cobrimento de concreto. Pode ocorrer a solubilizao dos componentes do concreto. Em outros casos a oxidao direta ou eletroqumica, que tem maior importncia. Eventualmente pode ocorrer a lixiviao do concreto por guas cidas ou muito puras dos principais componentes de um material, diminuindo a sua capacidade de resistncia, ou ento reaes qumicas expansivas que acarretam a desagregao e deteriorao do material. Portanto a resistncia corroso qumica, devido ao meio ambiente da maior importncia para todos os materiais utilizados em engenharia civil, em particular para os aos. 2.3) COMPORTAMENTO FSICO - O comportamento fsico engloba, entre outros, as propriedades trmicas, pticas e eltricas do material. Como estas propriedades no so no caso geral, de utilidade

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  • para o emprego dos aos em concreto armado e protendido, sero motivo de outras notas. Uma propriedade fsica de interesse a densidade, que nos casos dos aos, pode-se admitir constante e igual a 7,85 kg/dm para todos os tipos e o coeficiente de dilatao trmica que sendo igual a s = 1,2.10-5 m /m.C praticamente igual as do concreto (mdia c = 1,2.10-5 m /m.C )o que no acarreta o aparecimento de esforos entre os materiais por efeito de variao de temperatura. No entanto o coeficiente de condutividade trmica do ao, cerca de 30 vezes maior que o do concreto, o que pode acarretar, em incndios uma absoro maior e mais rpida de calor com conseqente aparecimento de tenses entre os materiais. 3) MICROESTRUTURA DOS METAIS - 3.1) ATRAES INTERATMICAS - Os materiais se apresentam em um determinado estado fsico estvel, como conseqncia das foras de atrao que se desenvolvem entre os tomos e as molculas que o constituem. Essas atraes so conseqncia da estrutura eletrnica dos tomos. Os gases nobres, inertes ou quimicamente inativos, tais como He, Ne, A, etc., apresentam apenas uma pequena atrao entre tomos por que estes tm um arranjo estvel de eltrons na ltima camada, chamada de camada de valncia. Alm desse fator (2 ou 8 eltrons na camada de valncia), o nmero de prtons igual ao de eltrons o que os torna eletricamente neutros. Na maioria dos outros elementos isto no acontece e eles devem adquirir esta configurao estvel atravs de um dos seguintes processos; 1- recebendo eltrons; 2 - doando eltrons; 3 - compartilhando eltrons. Os dois primeiros processos produzem ons negativos e positivos com o conseqente aparecimento de foras coulombianas do tipo eltrica de carga oposta.

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  • O terceiro requer uma ntima associao entre os tomos, de modo que os trs tipos de ligaes so fortes. Vejamo-las, pois em separado: Ligao inica - a mais simples e se explica pelo aparecimento de foras coulombianas (processo 1 e 2). Como exemplo pode-se citar o Na+ e o Cl que se unem formando o NaCl, cloreto de sdio ou sal de cozinha, slido. Aparentemente poder-se-ia supor que estando uma molcula eletricamente estvel a atrao com as demais seria fraca e consequentemente no conheceramos o sal de cozinha como um slido. Na realidade a atrao d-se em todas as direes e um on Na+ envolvido por vrios ons Cl e assim inversamente. Ligao covalente - o descrito no processo 3 onde os tomos compartilham eltrons da ltima camada. A fora de ligao covalente evidenciada no diamante, constitudo inteiramente por carbono. Esta fora demonstrada no s pela sua elevada dureza (ndice 10 na escala Mohs) como tambm pela elevada temperatura (3.300 C), requerida para sua dissociao atmica. Cada tomo de carbono tem quatro eltrons na camada de valncia, que so compartilhados com quatro tomos adjacentes, para formar um reticulado tridimensional inteiramente ligado por pares covalentes. Ligao metlicas - Se um tomo apresenta poucos eltrons de valncia estes podem ser removidos com facilidade enquanto que os demais so firmemente ligados ao ncleo. Temos ento uma estrutura formada por ons positivos e eltrons livres que desempenham o papel de ons negativos aparecendo portanto foras eltricas coulombianas de atrao. O movimento livre dos eltrons dentro da estrutura metlica forma o que chamado de nuvem eletrnica ou gs eletrnico. Os eltrons livres do ao metal sua elevada condutibilidade eltrica e trmica. Outro efeito que esta nuvem absorve a energia luminosa o que torna todos os metais opacos.

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  • Figura :

    Ligao metlica representao esquemtica dos eltrons livres (nuvem eletrnica) em uma estrutura de ons positivos. A ligao metlica pode ser considerada como uma atrao entre ons positivos e eltrons livres (exemplo: cobre). Foras de Van der Waals - uma ligao secundria fraca, mas que tambm contribui para a atrao interatmica. A maior parte das foras de Van der Waals se origina de dipolos eltricos, que so conseqncia de uma assimetria da molcula onde o centro de carga positiva no coincide com o centro de carga negativa originando o dipolo.

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  • A polarizao (a) nas molculas assimtricas ocorre um desbalanceamento eltrico denominado polarizao. (b) Este desbalanceamento produz um dipolo eltrico com uma extremidade positiva e outra negativa. (c) Os dipolos resultantes originam foras de atrao secundrias entre as molculas. A extremidade positiva de um dipolo atrada pela negativa de outro. ATENO: NA MAIORIA DOS CASOS, TODOS OS TIPOS DE ATRAO INTERATMICA ESTO PRESENTES, COM MAIOR OU MENOR PREDOMINNCIA. 3.2) ARRANJOS ATMICOS - Conhecendo as formas de atrao interatmica (tomo a tomo), necessita-se conhecer agora como se distribuem estes tomos e qual a sua orientao espacial (organizao espacial das molculas). As propriedades dos materiais dependem desse arranjo de tomos ou molculas. Os arranjos so classificados em:

    1- Estruturas moleculares, isto , agrupamento de tomos; 2- Estruturas cristalinas, isto , um arranjo repetitivo de formas geomtricas de

    tomos; 3- Estruturas amorfas, distribuio dos tomos sem nenhuma forma de

    regularidade. Por possurem os metais, uma estrutura cristalina, vamos nestas notas considerar somente este arranjo. Estrutura cristalina: Uma molcula tem uma regularidade estrutural, quando as ligaes entre elas determinam um nmero especfico de vizinhos para cada tomo e a orientao no espao dos mesmos. A maioria dos materiais de interesse construo civil tem arranjos atmicos, que tambm so repeties, nas trs direes, de uma unidade bsica. Tais estruturas so denominadas cristais. A repetio tridimensional nos cristais devida a coordenao atmica no interior do material, e, esta repetio, algumas vezes, controla a forma externa do cristal.

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  • As superfcies externas planas dos cristais de pedras preciosas e quartzo so todas manifestaes externas dos arranjos cristalinos internos. Exemplo de estrutura cristalina: a cristalizao do sal de cozinha na forma de cubos decorre da estrutura cristalina cbica do NaCl. O MgO tem a mesma estrutura.

    Estrutura dos metais, composta por um aglomerado de cristais, cada cristal com sua orientao de planos de clivagem.

    Metalografias mostrando os gros de cristais de um ao mangans (esquerda) e liga zinco-nquel (direita).

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  • Todos os cristais tem grupo espacial, chamado reticulado cristalino que obedece a uma das seguintes 14 formas geomtricas possveis de cristalizao ao solidificar-se, ou seja, o seu arranjo atmico sempre corresponde a uma das seguintes formas geomtricas :

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    Sistema de cristalizao Rede de Bravais

    Triclnico

    Simples Centrado

    Monoclnico

    Simples Centrado na base Centrado

    no volume Centrado na face

    Ortorrmbico

    Hexagonal

    Rombodrico ou trigon...

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