alunosAULA AÇO 1 2016 1

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ESTRUTURAS DE AÇO 
 
1. Aplicações das estruturas metálicas. 
Atualmente as estruturas metálicas se aplicam em praticamente todos os setores 
construtivos. Dentre as inúmeras aplicações estão: 
 
TELHADOS
 
 TORRES PANÉIS E POSTES 
 
PONTES E VIADUTOS 
 
RESIDÊNCIAS
 
GUINDASTE 
 
ANGARES 
Tem-se construído no Brasil várias obras importantes tais como: 
• Edifício Avenida Central (RJ): Primeiro edifício em aço no Brasil.(Construído 
em 1961), com 34 andares. 
 
 
• Edifício Garagem América (SP): Primeiro edifício em apresentar estrutura de 
aço aparente no Brasil. 
 
 
• Ponte Rio- Niterói, recorde mundial em viga reta (300 m), no vão central. 
 
• Edifício casa do comércio da Bahia em Salvador 
 
2. Propriedades mecânica dos aços estruturais. 
 
As propriedades mecânicas constituem as características mais importantes dos 
aços para sua aplicação no campo da engenharia, visto que o projeto e a execução 
das estruturas metálicas são baseados no seu conhecimento. 
 
DIAGRAMA TENSÃO-DEFORMAÇÃO 
 
O ensaio de tração simples a temperatura atmosférica é muito utilizado para medir 
as propriedades mecânicas dos aços. 
A relação entre a tensão aplicada (F/A) e a deformação resultante pode ser 
acompanhada pelo diagrama tensão deformação. Os valores para a construção 
deste diagrama são obtidos submetendo o material ao ensaio de tração, sendo a 
deformação medida com o auxílio de um aparelho denominado extensômetro, 
acoplado à máquina de ensaio. 
 
 
Ensaio à tração de um corpo-de-prova de aço de 16 mm de diâmetro 
 
fu –resistência ou tensão última 
 fy – resistência ou tensão de escoamento 
ε - deformação específica (ε � ∆�
�
), ∆l – deformação unitária; l – comprimento do 
corpo de prova. 
εu – deformação específica correspondente à tensão última 
εy – deformação específica correspondente à tensão de escoamento 
Dentro de certos limites (fase elástica), ao tracionar-se uma peça, a sua 
deformação segue a “Lei de Hooke”, ou seja, é proporcional ao esforço aplicado 
(Fig. acima). A proporcionalidade pode ser observada no trecho retilíneo do 
diagrama tensão-deformação e a constante de proporcionalidade é denominado 
módulo de elasticidade ou módulo de deformação longitudinal (Es). Ultrapassando o 
limite de proporcionalidade, tem lugar a fase plástica, na qual ocorrem deformações 
crescentes sem variação de tensão (patamar de escoamento). O valor constante da 
tensão, nessa fase, é chamado limite de escoamento do aço (fy). 
Após o escoamento, ainda na fase plástica, a estrutura interna do aço se rearranja 
e o material passa pelo encruamento, em que se verifica novamente a variação da 
tensão com a deformação, porém não linearmente. O valor máximo da tensão é 
chamado de resistência ou tensão última ( fu ) do aço. 
O aço é um dos materiais mais importante para uso em estruturas, seja isolado ou 
trabalhando em conjunto com outros materiais, como o concreto. 
As propriedades mais importantes são sua alta resistência, quando comparada 
com outros materiais e a ductilidade. 
Ductilidade: Capacidade do material de sofrer grandes deformações antes da 
ruptura. 
Constantes físicas do aço. 
Na faixa normal de temperatura atmosférica as seguintes características físicas 
podem ser adotadas para todos os tipos de aços estruturais. 
• Módulo de elasticidade ou módulo de Young (Es): inclinação do diagrama na 
zona elástica. 
Es = σ/ε= 200000 MPa 
• Coeficiente de Poisson (νs) 
νs = εy/εx = 0,3 
• Coeficiente de dilatação térmica (β) 
β = 12x10-6 /0C 
• Massa específica (γs) 
γs = 7850 kgf/m3 = 78,5 kN/m3 
• Módulo de elasticidade transversal (G) 
G = 0,385 Es = 7700 MPa 
3. SISTEMAS ESTRUTURAIS EM AÇO 
Os sistemas estruturais em aço dos edifícios são formados principalmente por 
componentes horizontais (vigas) e verticais (pilares). 
Os principais elementos estruturais metálicos dos edifícios, como mostra a figura, 
são: 
→ Pilares externos e internos; 
→ Vigas principais e secundárias (alma cheia ou treliça); 
→ Contraventamentos; 
→ Lajes e Painéis. 
 
A montagem deve começar com os pilares, de preferência com os que integram os 
contraventamentos. Em seguida, vêm as vigas ou treliças principais e, por fim, as 
vigas ou treliças secundárias. 
ELEMENTOS ESTRUTURAIS: 
• ELEMENTOS LINEARES ALONGADOS: BARRAS OU HASTES, as 
dimensões transversais são pequenas em relação ao seu comprimento. 
 
 
 
• ELEMENTOS BIDIMENSIONAIS: PLACAS OU CHAPAS 
São elementos de espessura pequena em relação à largura e ao comprimento. 
 
� Os sistemas estruturais mais empregados nos edifícios são sempre variações 
e combinações desses componentes estruturais. 
 
A estrutura utilizada nas edificações pode ser: 
 
a) Estruturas contraventadas com ligações flexíveis 
Quando se pode usar contraventamento para dar estabilidade às cargas 
horizontais, como a pressão de vento, podemos fazer o resto da estrutura 
trabalhar de forma mais simples com maior número de ligações flexíveis o que 
torna a estrutura mais fácil de se montar, mas a necessidade de incluir as 
subestruturas de contraventamento leva à concentração das forças horizontais 
nas suas fundações. 
 
Figura 7a)- Estrutura contraventada com ligações flexíveis, com subestrutura de 
contraventamento do tipo parede diafragma. 
 
Figura 7b)- Estrutura com contraventamento do tipo treliçado: (c) em X; (d) em K. 
b) Pórticos ou quadros com 
ligações rígidas 
 Quando não podemos usar os 
contraventamentos, temos que 
aporticar a estrutura, resultando em 
uma estrutura com ligações rígidas, 
o que torna mais lenta a montagem 
e a estrutura menos econômica, 
mas em contraposição as forças 
horizontais se distribuem pelas 
fundações de todos os pilares. 
 
 
COMPORTAMENTO DAS LIGAÇÕES 
O funcionamento das estruturas com elementos pré-fabricados, como é o caso 
das estruturas de aço, depende essencialmente do comportamento de suas 
ligações. Os dois tipos ideais de comportamento das ligações são a 
perfeitamente rígida, que impede completamente a rotação relativa entre a viga e 
a coluna (figura 8a) e a rotulada, que deixa livre a rotação relativa entre estes 
dois elementos estruturais (figura 8b). 
 
Figura 8: Ligações ideais: a) ligação perfeitamente rígida e b) ligação flexível ou 
rotulada. 
Na prática, alguns detalhes de ligações podem ser assemelhados a um ou outro 
caso ideal de ligação (fig. 9). 
 
 
Figura 9: Ligações na prática com comportamento semelhante às ligações ideais: 
(a) ligação rígida e (b) ligação rotulada ou flexível. 
 
4. Normas para o projeto e cálculo de estruturas metálicas. 
 
Nas fases de dimensionamento e detalhamento do projeto estrutural utiliza-se além 
dos conhecimentos de analise estrutural e resistência dos materiais, grande número 
de regras. O conjunto de regras e recomendações para a estrutura que devem ser 
respeitadas pelos engenheiros na elaboração do projeto é denominado de 
NORMAS. 
No Brasil é usada a norma técnica NB14 (NBR8800/2008): “Projeto e execução de 
estruturas de aço de edifícios” (método dos estados limites). Esta norma é 
essencialmente baseada na norma americana. 
Notas: 
• Ver na bibliografia do curso outras normas estrangeiras importantes. 
• As unidades de medida a serem adotadas no Brasil são as do SI 
(sistema internacional de unidades). 
• Nos desenhos as medidas lineares são todas em mm, no havendo 
necessidade de explicitar o fato. 
 
5. Método de dimensionamento. 
O dimensionamento das estruturas metálicas no Brasil é feito pelo Método dos 
Estados Limites. 
Estado Limite: Estado no qual a estrutura tem um comportamento inadequado 
para a finalidade da obra 
O método dos estados limitesutilizado para o dimensionamento dos 
componentes de uma estrutura (barras, elementos e meios de ligação) exige que 
nenhum estado limite aplicável seja excedido quando a estrutura for submetida a 
todas as combinações apropriadas de ações. Quando um ou mais estados 
limites foram excedidos a estrutura não mais atende aos objetivos para os quais foi 
projetada. Os estados limites últimos (E.L.U.) estão relacionados com a segurança 
da estrutura sujeita às combinações mais desfavoráveis de ações previstas em toda 
a vida útil. Os estados limites de serviço ou utilização (E.L.S.) estão relacionados 
com o desempenho da estrutura sob condições normais de serviço. 
E.L.U: Estado associado ao colapso total ou parcial da estrutura quando 
submetida às combinações de ações mais desfavorável durante toda sua vida útil. 
Ex: 
• Ruptura de uma seção ou ligação 
• Flambagem em regime elástico ou não 
• Ruptura por fadiga devido a cargas excessivas repetitivas 
E.L.S: Estado associado com o desempenho da estrutura sob condições 
normais de utilização ou serviço 
Ex: 
• Deformações excessivas (devido a cargas em serviço) 
• Vibrações excessivas (devido a cargas em serviço) 
10.1 Segurança no Estado limite último (E.L.U.) 
A segurança neste método é dada pela equação: 
Rd ≥ Sd 
“O esforço interno resistente de cálculo do elemento estrutural analisado tem 
que ser maior ou igual que o esforço atuante ou solicitante de cálculo” 
onde 
Sd = ΣγfiFi – esforço atuante ou solicitante de cálculo ou de projeto, obtido a 
partir da combinação mais desfavorável de ações Fi , cada uma majorada pelo 
coeficiente γf (d vem de design – projeto) 
Rd – esforço interno resistente de cálculo ou de projeto 
Fi – ações ou carregamento 
 γm – coeficiente de minoração das resistências ou fator de resistência. Leva em 
conta as incertezas das resistências. 
γf – coeficiente de majoração das ações ou carregamentos ou fator de carga (γg-
carga permanente e γq-carga variável). Leva em conta as incertezas das 
solicitações. 
10.1.1 Carregamentos ou ações 
São as cargas que atuam nas estruturas ou as deformações impostas (por 
variação de temperatura, recalques etc) 
Normas brasileiras que se ocupam das cargas sobre as estruturas são: 
• NBR6120 – Cargas para o 
cálculo de estruturas de 
edificações 
• NBR6123 – Força do vento 
• NBR7188 – Carga móvel em 
ponte rodoviária e passarela 
de pedestres 
Classificação das cargas: 
� Permanentes (G) – Carga vertical composta por: 
o Peso próprio (Pp) das estruturas 
o Revestimento 
o Acabamento 
o Pisos 
� Variáveis (Q): 
o Sobrecarga de ocupação da edificação (Pp das pessoas) 
o Mobília 
o Vento 
o Variação da temperatura 
� Excepcional (E) 
o Explosões 
o Choques de veículos 
o Sismos 
10.1.2 Combinação das ações. 
Para o cálculo das solicitações de projeto Sd, as ações devem ser combinadas de 
forma a expressar as condições mais desfavoráveis para a estrutura durante a sua 
vida útil prevista. 
As combinações de ações para os estados limites últimos (E.L.U) são as seguintes: 
a) Combinações normais e combinações aplicáveis a etapas construtivas 
(montagem): 
( ) ( )∑∑
=
++=
n
j
jojqjqigid QQGF
2
11 ψγγγ 
b) Combinações excepcionais: 
( ) ( )∑∑ ++= jqigid QEGF 2ψγγ 
Onde: 
 Fd = ação ou carregamento de projeto ou de cálculo 
Q1= ação variável predominante, principal 
Qj = demais ações variáveis que atuam simultaneamente com Q1 e com efeito 
desfavorável. 
γg = coeficientes de ponderação das ações permanentes (tabela 1) 
γq = coeficientes de ponderação das ações variáveis (tabela 1) 
 ψ0 = fator que reduz as ações variáveis. Considera-se a baixa probabilidade 
de ocorrência simultânea de ações de distintas naturezas com seus valores 
característicos. (tabela 2) 
ψ0=ψ2 - Quando houver carga excepcional 
 
 
 
 
 
 
NOTAS IMPORTANTES: 
• As solicitações de cargas permanentes “G” devem estar presentes em todas as 
combinações; 
• As solicitações variáveis devem ser consideradas uma de cada vez como 
dominante “Q1” nas combinações. 
• Quando tiver carga de vento de sucção e estiver agindo como dominante, a 
carga permanente deve ser afeitada pelo coeficiente γg que na tabela 1 está 
entre parêntesis, já que esta carga “G”nessa combinação seria favorável à 
segurança e devo então diminuí-la. Se tiver também sobrecarga variável não 
devo considerar-la, pois esta carga pode ou não agir e se agir seria favorável. 
10.1.3 Esforço resistente 
É o esforço interno resistente da seção analisada (momento fletor, esforço normal 
etc ), denomina-se resistência última e se calculam em função da resistência 
característica, fk. 
O esforço resistente de projeto é: 
�� �
Rú�	.
γ
�
 
Onde: 
γm= fator de resistência (tabela 3) 
 
10.2 Verificação do Estado limite de serviço ou utilização (E.L.S.) 
Consiste na verificação da estrutura sob cargas de serviço, isto é verificar a 
capacidade da estrutura de desempenhar satisfatoriamente as funções para as quais 
foi concebida. 
Por exemplo: 
1. Deseja-se evitar a sensação de insegurança dos usuários de uma estrutura 
devido a deslocamentos excessivos ou vibrações excessivas, 
2. Evitar prejuízos a componentes não estruturais como janelas, portas devido a 
deslocamentos excessivos de elementos estruturais. 
A verificação está dada pela desigualdade: 
Sser≤ Slim 
onde 
Sser – representa os efeitos estruturais de interesse (ex. deslocamentos em vigas) 
obtidos com base nas combinações de serviço das ações, 
Slim– representa os valores limites adotados para esses efeitos. (ver tabela C.1, 
pag. 117, NBR8800 ou 1.8 pág 44 do livro) 
10.2.1 Combinação das ações. 
As combinações de ações para os estados limites de serviço (E.L.S) são as 
seguintes: 
c) Combinações quase permanentes: 
( ) ( )∑∑
=
++=
n
j
jji QQGF
2
212 ψψ
 
d) Combinações freqüentes: 
( ) ( )∑∑
=
++=
n
j
jji QQGF
2
211 ψψ 
e) Combinações raras: 
( ) ( )∑∑
=
++=
n
j
jji QQGF
2
11 ψ
 
1ψ e 2ψ são os fatores de redução para as ações variáveis (tabela 2)
 
12 ψψ <
 
� Conforme o rigor que se precise na estrutura cabe ao projetista 
selecionar a combinação que vai ser usada na verificação 
Por exemplo, para verificar o deslocamento vertical de uma viga para evitar 
deslocamentos excessivos, usa-se uma combinação quase permanente, o rigor pode 
não ser tão grande. Mas se essa viga vai suportar equipamentos sensíveis ou 
paredes que podem fissurar pelas deformações excessivas usa-se uma combinação 
rara, pois a restrição deve ser maior. 
Exercício resolvido na aula.