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ESTRUTURAS METÁLICAS - UFPR

CAPÍTULO 1

AÇOS ESTRUTURAIS

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INDICE

CAPÍTULO 1 - AÇOS ESTRUTURAIS .................................................................................................1

1 INTRODUÇÃO - HISTÓRICO .................................................................................................... 1

2 CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DAS ESTRUTURAS DE AÇO ............................................ 2

3 REFERÊNCIAS NORMATIVAS ................................................................................................. 3

4 CARACTERÍSTICAS DO AÇO ESTRUTURAL ......................................................................... 4

4.1 Composição ....................................................................................................................4

4.2 Propriedades ...................................................................................................................4

5 PRODUTOS SIDERÚRGICOS PARA ESTRUTURAS ............................................................... 7

5.1 Barras:.............................................................................................................................7

5.2 Chapas: ...........................................................................................................................7

5.3 Perfis Laminados, com seção I, H, C (ou U): ..................................................................8

5.4 Perfis Laminados, com seção cantoneira (L): .................................................................9

6 CLASSES DE RESISTÊNCIA DOS AÇOS ESTRUTURAIS ...................................................... 9

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CAPÍTULO 1 - AÇOS ESTRUTURAIS

1 INTRODUÇÃO - HISTÓRICO

As primeiras obras de aço surgiram praticamente ao mesmo tempo em que se iniciou aprodução industrial desse material, por volta de 1780 existe registro da aplicação de aço naescadaria do museu do Louvre, em Paris e Pouco tempo antes, em 1757, na Inglaterra, foiconstruída uma ponte em ferro fundido. Com o avanço no processo de fabricação do aço, porvolta 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, noestado do Rio de Janeiro, em 1857.

No Brasil não existem estatísticas específicas de percenual de tipo de estrutura por metroquadrado. Citando informações do Centro Brasileiro da Construção com Aço – cbca, obtidascom 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 2,8milhões de toneladas para construção em aço, os principais destaques foram os aços planosrevestidos, destinados a telhas, perfis steel framing e perfis drywall, que passaram de 502 miltoneladas em 2007, para 729 mil toneladas (+ 45,1%) em 2008; e a demanda dos perfis e tubospara estruturas que cresceu de 284 mil toneladas para 411 mil toneladas (+ 44,7%) no mesmoperíodo.

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2 CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DAS ESTRUTURAS DE AÇO

Embora seja mais correto conceitualmente referir-se a características do que a vantagens edesvantagens de um determinado sistema estrutural, vamos relacionar a seguir algunsaspectos 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 avaliaçãodas características de cada sistema, optando pelo mais adequado à situação considerada.

Vantagens:

• Alta resistência do material, que possibilita a execução de estruturas comparativamenteleves;

• Processo de fabricação garante dimensões e propriedades homogêneas para o materiale para as peças fabricadas;

• Por tratar-se de estrutura com características de pré-fabricação, a sua aplicação emcampo 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 possibilidadede vibrações indesejáveis na estrutura;

• Necessidade de mão de obra mais especializada e equipamentos para serviços demontagem e solda;

• Por tratar-se de estrutura com características de pré-fabricação, o projeto necessitaadaptar-se à disponibilidade do fornecimento e não o contrário.

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3 REFERÊNCIAS NORMATIVAS

Abaixo estão relacionadas as principais normas de referência para projeto de estruturas demetálicas.

Norma Título

NBR 6008/6009 Perfis I e H de abas paralelas, de aço, laminados aquente - Padronização

NBR 6355 Perfis estruturais de aço formados a frio -Padronização

NBR 6657 Perfis de Estruturas de Aço

NBR 8681 Ações e segurança nas estruturas - Procedimento

NBR 5419 Proteção de estruturas contra descargasatmosféricas

NBR 6123 Forças devidas ao vento em edificações -Procedimento

NBR 6120 Carga para cálculo de estruturas de edificações -Procedimento

NBR 5884 Perfil I estrutural de aço soldado por arco elétrico

NBR 14762 Dimensionamento de estruturas de aço constituídaspor perfis formados a frio

NBR 14432 Exigências de resistência ao fogo de elementosconstrutivos - Procedimento

NBR 14323 Dimensionamento de estruturas de aço em situaçãode incêndio - Procedimento

NBR 8800 Projeto e Execução de Estruturas de Aço emEdifícios (Métodos dos Estados Limites)

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4 CARACTERÍSTICAS DO AÇO ESTRUTURAL

4.1 ComposiçãoSob 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 oCarbono. As variações no teor desse material determinam principalmente alterações naresistência e na maleabilidade do aço. Quanto maior o teor de Carbono, maior a resistência emenos dútil o aço, ou seja, menos capaz de sofrer deformações sem romper. A classificação doaço conforme o seu teor de Carbono está colocada a seguir:

4.1.1 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 estruturaspor não necessitarem de cuidados especiais para serem soldados. Conformejá mencionado, na medida em que se aumenta o teor de Carbono no aço,aumenta-se sua resistência e é diminuida sua ductibilidade.

4.1.2 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 outraspropriedades do aço sem alterar sua soldabilidade.

4.2 Propriedades

4.2.1 As principais propriedades mecânicas gerais do aço estrutural estão relacionadas a seguir(NBR-8800-4.5.2.8):

a) Módulo de Elasticidade Tangente: E = 200.000 MPa;

b) Módulo de Elasticidade Transversal G = 70.000 Mpa;

c) Coeficiente de Poisson: νa = 0,3;

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d) Coeficiente de Dilatação Térmica: βa = 1,2 x 10-6 oC-1;

e) Massa específica: ρa = 7.850 Kg/m3.

4.2.2 Diagrama tensão deformação:

No diagrama: fu - Resistência de ruptura do aço à tração ou limite de resistência à tração;

fy - Resistência ao escoamento do aço à tensão normal ou limite deescoamento;

fp - Limite de proporcionalidade.

* A NBR 8800 estabelece no item 4.5.2.2 seus limites de aplicabilidade:

Para aplicação da NBR 8800/2008, deve-se obedecer às seguintes condições:

Relação fu /fy>=1,18 e fy<=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.

σa

(kN/cm2)

ε (m/m )

ductibilidadeencruamento

fp

fy

fu

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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 estapropriedade está associada a capacidade que estruturas construídas com materiais dúteisapresentam de se deformar plasticamente, redistribuindo as tensões internas.

b) Ruptura frágil - fragilidade: Sob certas condições a o metal perde sua característica de ductibilidade podendo apresentarum comportamento frágil. Essas condições, que devem ser evitadas, ou verificadas comespecial 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 fu, fy e E se reduzem.Para a temperatura de 500 oC, as grandezas acima são reduzidas pela metade e para umatemperatura acima desse valor se reduzem a quase zero. A NBR-8800 em seu item 1.6remete 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 podesofrer 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 dosperfis estruturais. O anexo N da NBR 8800 fornece informações gerais sobre o processo decorrosão e indica alguns procedimentos preventivos.

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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 primordialmentepor perfis metálicos. Abaixo estão colocadas as principais características e sua nomenclaturaem linhas gerais. O anexo A da NBR 8800 apresenta diversos tipos normalizados de açosestruturais.

5.1 Barras:As barras são produtos obtidos por laminação nas seções: circular, quadrada ou retangularalongada (chamada “chata”). As barras são referidas pelo seu diâmetro ou pelas dimensões desua 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 desde250 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 chapasgrossas.

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 fy=255 MPa e fu=410 MPa;

CF-26, chapa fina com fy=260 MPa e fu=400 MPa;

Para aços de baixa liga e alta resistência mecânica:

G-35, chapa grossa, fy=345 MPa e fu=450 MPa;

F-35, chapa fina, fy=340 MPa e fu=450 MPa;

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5.3 Perfis Laminados, com seção I, H, C (ou U):

Os perfis estruturais podem ser laminados, soldados ou de chapa dobrada, esses últimos nãosão definidos pela NBR 8800 mas em norma específica, de modo que não serão tratados nopresente texto. Existem inúmeros produtos, fabricados em padrões americanos (sérieamericana, perfis de faces, em geral, não paralelas) e padrões europeus (série européia, defaces paralelas) de modo que serão fornecidas apenas denominações mais comuns eexemplos. Como regra geral, sempre é necessário trabalhar com a tabela do fornecedor paraobter as propriedades do perfil.

A nomenclatura dos perfis I, H e C (ou U) segue uma regra geral, onde é fornecida a indicaçãoda forma do perfil seguida de sua altura total (d, em mm) e de sua massa linear (kg/m). Porexemplo:

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 22,7kg/m.

No caso de perfis soldados, a regra geral de nomenclatura é praticamente a mesma, com osseguintes nomes para os perfis:

Perfil tipo viga soldada VS – com relação d/bf – 4,0 >= d/bf >= 2,0 (em gerald/bf~=2,0)

Perfil tipo coluna viga soldada CVS – 1,0 >= d/bf >= 1,5 (em gerald/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 I de aba larga (tabela de perfis USIMINAS)

Perfil HP d x massa linear – 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).

tf

tf

dh

bf

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Deve-se salientar, também, que a referência à altura do perfil e à sua massa linear éfrequentemente arredondada nos nomes de perfis das tabelas, de modo que deve-se consultaros 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 utilizarnomenclatura 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.

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, fy=250 MPa e fu=400MPa;

Aço de alta resistência – AR 350, aço com tensão de escoamento, fy=350 MPa e fu=410 MPa oufu=485 MPa.

Existe também o aço com maior resistência à corrosão: COR AR 415, fy=415 MPa e fu=520MPa.

Abaixo, estão colocadas as tabelas A.1 e A.2 da NBR 8800 para referência de classesestruturais. A tabela A.2 traz os aços conforme a nomenclatura ASTM, nessa tabela, ressalte-seo 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 daNBR 8800.

A

B

t

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