Estruturas de aço e Madeira Introdução R01

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Universidade Paulista
Curso: Engenharia Civil
Disciplina:	Estruturas de Aço e Madeira
	 Prof. Valdir Oliveira Junior
 
Estruturas de Aço e Madeira
Universidade Paulista
Curso: Engenharia Civil
 
Estruturas de Aço
Introdução
Introdução
Conceito de Metal
Do ponto de vista Químico:
Substância simples, capaz de ser cationte (íon positivo) em combinações. 
Fortemente eletro positivos. Dividem-se em: 
Alcalinos: sódio e potássio
Alcalino-terrosos: cálcio e magnésio. 
Elementos indiferentes, que são fracamente eletro positivos 
polônio, bismuto,antimônio, etc.
Introdução
Conceito de Metal
Do ponto de vista Tecnológico:
Elemento químico que existe como cristal ou agregado de cristais, no estado sólido, caracterizado pelas seguintes propriedades: 
alta dureza, 
grande resistência mecânica, 
elevada plasticidade (grandes deformações sem ruptura),
 relativamente alta condutibilidade térmica e elétrica.
Introdução
Tipos de Metais
Introdução
Obtenção dos Metais
Introdução
Os metais encontram-se na natureza, normalmente, em forma de compostos (metal, areia, argila – jazida de minério).
Seja no estado livre, seja na forma de compostos dificilmente as substâncias são encontradas puras, como acontece com as pepitas de ouro e prata. 
A mistura de metal, compostos de metal e impurezas
Impurezas (Gangas)
Minério (modo como o metal se encontra naturalmente)
‘
Obtenção dos Metais
Introdução
A partir do minério, a obtenção de um metal passa por duas fases distintas:
A mineração: extração do minério.
A metalurgia: obtenção do metal puro a partir do composto portador. 
Siderurgia: é a denominação especial da metalurgia do ferro.
Aciaria : é a unidade de uma usina siderúrgica onde há a transformação do ferro em diferentes tipos de aço.
Obtenção dos Metais
Introdução
Ligas Metálicas
Geralmente os metais não são empregados puros, mas fazendo parte de ligas – misturas, de aspecto metálico e homogêneo, de um ou mais metais entre si ou com outros elementos. 
Deve ter constituição cristalina e comportamento como metal. 
Têm propriedades mecânicas e tecnológicas melhores que as dos metais puros. Por exemplo: Aço.
Metais
Propriedades importantes
Metais siderúrgicos
Produtos siderúrgicos são aqueles elaborados com Ferro (Fe+) e suas ligas. 
Siderurgia é a denominação especial da metalurgia do ferro.
O Ferro é o metal de maior utilização na construção civil:
Elevada resistência;
Permite vencer grandes vãos como peça relativamente delgada e leve;
É usado puro ou em ligas, ou para reforçar outros materiais (Ex.: o concreto armado).
Ferro e Aço
Metais siderúrgicos
O Ferro é obtido através dos minérios de ferro que se apresentam nas formas de:
Carbonatos (siderita)
	Siderita: é a combinação de ácido carbônico com o ferro.
Óxidos (magnetita, hematita, limonita);
	Magnetita: minério com propriedades magnéticas. Imã natural.
	Hematita: minério estratificado ou pulverulento (pó).
	Limonita: pode se apresentar aglomerando pedaços de hematita. 
Sulfetos (piritas).
	 	Piritas: 	NÃO é propriamente um minério de ferro, mas sim de enxofre, onde 		o ferro é subproduto.
Ferro e Aço
Metais siderúrgicos
Extração: geralmente feita a céu aberto.
Fases:
passagem por britadeira; 
classificação pela tamanho;
lavado com jato de água: eliminação da argila, terra, impurezas, etc.
 granulometria para o Alto Forno: 12 a 25 mm. 
Ferro e Aço
Metais siderúrgicos
Ferro e Aço
Alto Forno
Metais siderúrgicos
A carga do alto forno é constituída:
do combustível
	obtido pela destilação seca do carvão mineral (coque) ou/e 
	o carvão vegetal é obtido pela destilação seca da madeira.
 do mineral;
 dos fundentes (cal ou areia)
	tem a finalidade de tornar mais baixo o ponto de fusão do minério, permitindo a separação dos óxidos de alumínio, silício e fósforo.
 Observação: todos em proporções que devem ser bem calculadas.
Ferro e Aço
Metais siderúrgicos
O Ferro Gusa (Ferro bruto ou Ferro de 1ª fusão)
 obtido diretamente do alto forno (temperatura > 1500º C);
 é impuro (Ex.: presença de fósforo e enxofre);
 possui alto teor de carbono.
Pode ser refinado a partir de novas fundições em fornos menores, passando a ser denominado de ferro de segunda fusão => usado para fabricação de peças.
É comumente caracterizado como um material duro e quebradiço, com baixa resistência mecânica, devido ao excesso de carbono.
Ferro e Aço
Metais siderúrgicos
O Ferro Fundido (FoFo)
	Ferro fundido é a liga ferro – carbono - silício, de teores de carbono geralmente acima de 2,0%. Podem ser classificados em:
Ferro fundido cinzento: coloração escura, mais usado pela fácil fusão e moldagem, boa resistência mecânica, boa usinabilidade, boa resistência ao desgaste.
Ferro fundido branco: coloração mais clara;
Ferro fundido mesclado: coloração mista entre branca e cinzenta;
Ferro fundido maleável: obtido a partir de ferro fundido branco;
Ferro fundido nodular: material com boa ductilidade.
Ferro e Aço
Metais siderúrgicos
O Aço
	São denominados aços as ligas de ferro e carbono, com algumas impurezas (que podem ser introduzidas voluntariamente). 
Aço ultra-doce: 	0,05 %< C < 0,15%. 
	Uso: em peças estruturais, pregos.
Aço doce: 		0,15% < C < 0,30%. 	 
	Uso: em peças estruturais, pregos.
Aço semi-duro: 	0,30% < C < 0,60%. 
	Uso: trilhos, peças forjadas.
Ferro e Aço
Metais siderúrgicos
O Aço
	São denominados aços as ligas de ferro e carbono, com algumas impurezas (que podem ser introduzidas voluntariamente). 
Aço duro: 		0,60% < C < 0,75%.	 
	Uso: ferramentas.
Aço superduro: 	0,75% < C < 1,20%. 
	Uso: ferramentas.
Aço ao carbono: 	1,20% < C < 1,70%. 
	Uso: peças especiais.
Ferro e Aço
Metais siderúrgicos
Ferro e Aço
Aciaria - é a unidade de uma usina siderúrgica onde existem máquinas e equipamentos voltados para o processo de transformar o ferro gusa em diferentes tipos de aço. 
Metais siderúrgicos
O Aço
Os aços usados para a construção (estruturas, armaduras) são os aços doces (0,15 - 0,30% de carbono). 
Estes aços são bastante plásticos.
Graça à ductilidade do aço doce, as estruturas metálicas terão a faculdade de equilibrar as zonas de tensões pela “adaptação plástica” sem risco de ruptura sem aviso.
Nas estruturas, os perfis de aço-carbono utilizados são os mais diversos, sobressaindo-se os seguintes: barras redondas (inclusive as empregadas em concreto armado), quadradas, hexagonais, ovais, barras chatas, cantoneiras, tês, éles e duplos tês, etc.
Ferro e Aço
Metais siderúrgicos
O Aço
O aço, para emprego estrutural, pode ser:
o aço carbono (aço comum), 
o aço cortain (aço Cor-Ten, Cosacor ou Niocor ), 
aço galvanizado. 
	A diferença entre eles está no tratamento anti-corrosivo de cada um, que determina também a função a que estão aptos.
Ferro e Aço
Metais siderúrgicos
O Aço
O aço, para emprego estrutural, pode ser:
o aço carbono (aço comum), 
é menos dúctil que o ferro fundido, mais maleável, mais duro e mais flexível. 
apresenta um aspecto granulado característico. 
magnetiza-se dificilmente, mas conserva esse magnetismo adquirido.
 ótimo para receber tratamento térmico. 
Funde entre 1300 -1600 ºC. 
Sua densidade oscila em torno de 7,65 g/cm³. 
Ferro e Aço
Metais siderúrgicos
O Aço
O aço, para emprego estrutural, pode ser:
o aço cortain (aço Cor-Ten, Cosacor ou Niocor ), 
é um pouco mais caro que o aço comum. 
mais bonito, com aspecto patinado e envelhecido e cor acobreada, 
pode ser deixado aparente ou apenas receber pintura decorativa. 
apresenta ,em média, 3 vezes mais resistência à corrosão que o aço comum.
dispensa o uso de produtos protetores, a não ser quando localizado no litoral, onde está sujeito a ação da maresia. Mesmo assim, sofre apenas 1/3 da corrosão provocada no aço comum pelas mesmas condições. 
Ferro e Aço
Metais
siderúrgicos
O Aço
O aço, para emprego estrutural, pode ser:
aço galvanizado
mais resistente, o aço galvanizado possui a mesma composição química do carbono, mas é revestido por uma camada de zinco,
É usado especialmente em calhas para coleta d’água e alguns tipos de tubulação. 
aceita pintura desde que seja aplicado um fundo que permita a aderência da tinta.
	
Ferro e Aço
Metais siderúrgicos
O Aço
O aço, ainda, pode ser:
aço inoxidável
bem mais caros, o aço inoxidável possui baixíssimo teor de carbono contendo um mínimo de 11 a 12% de Cromo;
possui absoluta resistência a qualquer tipo de corrosão atmosférica; 
 apresentam altas resistências mecânicas;
boa ductilidade;
mantém indefinidamente o brilho original, embora tenha que ser lavado periodicamente para remoção da sujidade. 
	
Ferro e Aço
Estrutura Metálica
Vantagens e Desvantagens na utilização do Aço Estrutural:
Vantagens:
Alta resistência do material nos diversos estados de solicitação – tração, compressão, flexão, etc.  estruturas mais leves, vencendo grandes vãos;
A garantia de dimensões fixas e das propriedades dos materiais oferece grande margem de segurança, tendo em vista o seu processo de fabricação que proporciona material único e homogêneo;
Construção de estruturas com boa precisão, possibilitando alto controle de qualidade;
Material resistente a choques e vibrações;
Possibilidade de execução de obras mais rápidas e limpas;
Aço Estrutural
Estrutura Metálica
Vantagens e Desvantagens na utilização do Aço Estrutural:
Vantagens:
Apresenta possibilidade de substituição de perfis componentes da estrutura com facilidade, o que permite a realização de eventuais reforços de ordem estrutural, caso se necessite estruturas com maior capacidade de suporte de cargas.
Apresenta possibilidade de maior reaproveitamento de material em estoque, ou mesmo, sobras de obra, permitindo emendas devidamente dimensionadas, que diminuem as perdas de materiais, em geral corrente em obras.
Apresenta possibilidade de desmontagem da estrutura e seu posterior reaproveitamento em outro local;
Aço Estrutural
Estrutura Metálica
Vantagens e Desvantagens na utilização do Aço Estrutural:
Desvantagens:
Limitação da fabricação das peças em fábricas;
Limitação do comprimento das peças devido aos meios de transportes;
Necessidade de tratamento anticorrosivo;
Necessidade de mão de obra e equipamentos especializados;
Limitação de dimensões dos perfis estruturais.
Aço Estrutural
Estrutura Metálica
Fatores que influenciam o custo da estrutura metálica:
Seleção do sistema estrutural: 
No dimensionamento é necessário levar em conta os fatores de fabricação e posterior montagem, bem como sua utilização futura (iluminação, ventilação etc.).
Projeto dos elementos estruturais: 
Cuidado especial: um componente estrutural se repete por um numero grande de vezes: 
Dimensionamento aquém de suas necessidades problemas estruturais;
Dimensionamento além de suas necessidades reais  custo adicional desnecessário. 
Custo
Estrutura Metálica
Fatores que influenciam o custo da estrutura metálica:
Projeto e Detalhe das conexões:
As conexões, ou as ligações estruturais deverão levar em conta aspectos de fabricação e montagem. Por exemplo: 
as ligações de fábrica poderão ser soldadas (ambiente industrial).
as ligações executadas na obra devem utilizar parafusos (local precário).
Processo de fabricação, especificações e montagem: 
Especificações mal delineadas  atrasos e/ou retrabalho. 
Verificação de elementos limitadores da montagem da estrutura: 
proximidade de vizinhos, 
linhas de energia, tubulações enterradas, 
movimentação dos equipamentos de montagem, etc.
Custo
Estrutura Metálica
Fatores que influenciam o custo da estrutura metálica:
Sistemas de proteção contra corrosão e incêndio: 
Corrosão anticorrosivos / pinturas X Aços especiais (cortain). 
De uma maneira geral, principalmente em zonas litorâneas, de grande agressividade, a utilização de perfis de aço especiais (cortain) é menos oneroso do que anticorrosivos / pinturas. 
Combate a incêndio (Pintura Intumescente: ) normas específicas do Corpo de Bombeiros, que de uma maneira geral, acrescentam, de forma significativa, ônus sobre o custo da obra.
Custo
Estrutura Metálica
Ductilidade: é a capacidade do material de se deformar sob a ação de cargas sem se romper. 
Quanto mais dúctil o aço, maior será a redução de área ou o alongamento antes da ruptura. 
A ductilidade tem grande importância nas estruturas metálicas, pois permite a redistribuição de tensões locais elevadas. 
As barras de aço sofrem grandes deformações antes de se romper, o que na prática constitui um aviso da presença de tensões elevadas;
Fragilidade: é o oposto da ductilidade. 
Os aços podem ter características de elementos frágeis em baixas temperaturas;
Propriedades dos Aços Estruturais
Estrutura Metálica
Resiliência: é a capacidade do material de absorver energia mecânica em regime elástico;
Tenacidade: é a capacidade do material de absorver energia mecânica com deformações elásticas e plásticas;
Dureza: é a resistência ao risco ou abrasão. A dureza pode ser medida pela resistência que sua superfície se opõe à introdução de uma peça de maior dureza;
Propriedades dos Aços Estruturais
Estrutura Metálica
Resistência à Fadiga: é a capacidade do material suportar aplicações repetidas de carga ou tensões. 
É usualmente expressa como um limite de tensão que causa a falha sob condições de esforços repetidos. 
Esta tensão pode ocorrer em regime elástico.
Resistência à Tração: propriedade importante. 
É obtida através da relação entre a força aplicada em um corpo de prova e a área de sua seção transversal.
Essa tensão determina o aumento do comprimento da barra a qual foi submetida a força ( deformação).
Propriedades dos Aços Estruturais
Estrutura Metálica
Resistência à Tração 
De posse dos diversos valores das tensões e das respectivas deformações, poderá ser construído um diagrama 
	tensão X deformação específica.
A tensão será calculada através da divisão da carga pela área da seção transversal do corpo de prova e a deformação específica, através do cálculo percentual da deformação ocorrida em um determinado segmento do corpo de prova.
Propriedades dos Aços Estruturais
Estrutura Metálica
Resistência à Tração 
O diagrama nos mostrará o comportamento do corpo de prova durante a aplicação da carga:
Propriedades dos aços Estruturais
Num primeiro trecho – zona elástica – o gráfico mostra uma proporção linear entre o alongamento e a carga aplicada (proporcionalidade).
Em seguida, ocorre o escoamento, isto é, uma deformação apreciável do corpo de prova para uma carga oscilando próximo de um valor constante 
Estrutura Metálica
Resistência à Tração 
Propriedades dos Aços Estruturais
Cessado o escoamento, o corpo de prova é solicitado até atingir a carga máxima registrada durante o ensaio, a partir da qual, inicia-se o fenômeno da estricção, isto é, um estrangulamento na seção transversal do corpo de prova.
A tensão necessária para se chegar ao início do escoamento é o limite de escoamento e a tensão máxima suportada pelo material até o início do estrangulamento é o limite de resistência à tração.
Limite de resistência a tração
Tensão de ruptura
Limite de proporcionalidade ou elasticidade 
Limite de escoamento
Estrutura Metálica
Resistência à Tração
Exemplo: Apresenta-se a seguir uma tabela com os valores principais das tensões sofridas por um corpo de prova de aço A-36 de comprimento L= 20 cm, admitidas as deformações indicadas. Desenhar o gráfico de tensão deformação característico:
 
Propriedades dos Aços Estruturais
Estrutura Metálica
Resistência à Tração 
Propriedades dos Aços Estruturais
Nos aços encruados ou ligados que não apresentam o escoamento natural, o limite de escoamento é representado pela tensão sob a qual se produz um alongamento permanente e mensurável
de, por exemplo, 0,2% .
Estrutura Metálica
Resistência à compressão: 
Quando submetidos à carga de compressão, os aços apresentam o mesmo comportamento elástico que na solicitação à tração.
Na fase plástica o comportamento do metal é diferente; o corpo de prova sofre um alargamento na seção transversal adquirindo um formato achatado sem que ocorra sua ruptura. 
Os aços menos dúcteis sofrem ruptura por cisalhamento.
Dobramento simples: é a capacidade do aço em ser desdobrado até um determinado ângulo sem romper. 
Propriedades dos Aços estruturais
Estrutura Metálica
As Normas que tratam de estruturas metálicas são as seguintes:
NBR-8800 (NBI4) - Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios: método dos estados limites, 2008.
ASTM - American Society for Testing and Materials: especificações para fabricação do aço, acabamento dos perfis, etc.
AISC - American Institute of Steel Construction: especificações para projetos de prédios industriais ou residenciais em estruturas metálicas.
AASHO - American Association of State Highway Offcials: especificações para projeto de pontes rodoviárias metálicas., 1989.
Normas Técnicas
Estrutura Metálica
Além das normas de aço, outras normas devem ser consultadas para a elaboração de projetos em estruturas metálicas:
NBR 6123 (NB599) Forças devidas ao vento em edificações, 2013.
NBR 6120 (NB5) Cargas para o cálculo de estruturas de edificações, 2000.
NBR 9763 (EBI742) Aços para perfis laminados, chapas grossas e barras, usados em estruturas fixas, 1987
NBR 7188 (NB6) Carga móvel em ponte rodoviária e passarela de pedestre, 2013.
NBR 7189 (NB7). Cargas móveis para projeto estrutural de obras ferroviárias, 1989.
Normas Técnicas