matéria de Aço 2016 aula 1 introdução

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Aula 01:
Introdução a Estruturas de Aço
Estruturas de Aço – CCE 0182 – 2016.2
UNESA Norte Shopping
Prof. Dilnei Schmidt
Introdução a estruturas de aço
• Breve histórico da aplicação do material em estruturas;
• Processo de fabricação;
• Tipos de aços estruturais;
• Propriedades mecânicas;
Objetivos da Aula
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• As formas mais usuais de metais ferrosos são o aço, o ferro fundido e o ferro forjado, sendo o aço, 
atualmente, o mais importante dos três.
• O aço e o ferro fundido são ligas de ferro e carbono, com outros elementos de dois tipos:
elementos residuais decorrentes do processo de fabricação, como silício, manganês, fósforo e
enxofre;
elementos adicionados com o intuito de melhorar as características físicas e mecânicas do 
material denominados elementos de liga.
• O aço é a liga ferro-carbono em que o teor de carbono varia desde 0,008% até 2,11 %;
Definições e Histórico
• Em função da presença, na composição química, de elementos de liga e do teor de elementos 
residuais, os aços são classificados em:
aços-carbono, que contêm teores normais de elementos residuais;
aços-liga, que são aços-carbono acrescidos de elementos de liga ou apresentando altos teores 
de elementos residuais.
• O ferro fundido comercial contém 2,0% a 4,3% de carbono. Tem boa resistência à compressão 
(mínimo de 500 MPa), porém a resistência à tração é apenas cerca de 30% da primeira. Sob efeito de 
choques, mostra-se quebradiço (frágil).
• O ferro forjado contém não mais que 0,15% de carbono. É maleável, dúctil e facilmente soldável. 
Contém até 2% de escória. Deixou de ser utilizado com o aprimoramento das propriedades e custo de 
fabricação do aço.
Definições e Histórico
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• Entre 1 780 e 1 820 construíram-se pontes em arco ou treliçadas, com 
elementos em ferro fundido trabalhando em compressão.
• A primeira ponte em ferro fundido foi a de Coalbrookdale (1779), com 
30 m de vão;
Definições e Histórico
• Um exemplo notável de emprego de barras de ferro forjado foi a 
ponte suspensa de Menai, no País de Gales, construída em 1819-1826, 
com um vão de 1 75 metros. 
Definições e Histórico
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• No Brasil, a ponte sobre o rio Paraíba do Sul, Estado do Rio de 
Janeiro, foi inaugurada em 1857.
• Os vãos de 30 metros são vencidos por arcos atirantados, sendo os 
arcos constituídos de peças de ferro fundido montadas por encaixe e 
o tirante em ferro forjado;
Definições e Histórico
• O aço já era conhecido desde a Antiguidade. Não estava, porém, 
disponível a preços competitivos por falta de um processo industrial 
de fabricação.
• O inglês Henry Bessemer inventou, em 1856, um forno que permitiu a 
produção do aço em larga escala, a partir das décadas de 1860/1870.
• Em 1864, os irmãos Martin desenvolveram um outro tipo de forno de 
maior capacidade.
• O processo Siemens-Martin apareceu em 1867.
• Por volta de 1880, foram introduzidos os
laminadores para barras.
Definições e Histórico
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Definições e Histórico
Ponte Firth of Forth na Escócia, 1890;
Recorde mundial de vão livre: 521 m (aço);
Viaduc de Garabit, 1884;
Ponte em arco biarticulado no Sul da França com 
165 m de vão (ferro forjado); 
• Até meados do século XX, utilizou-se nas construções quase exclusivamente 
o aço-carbono com resistência à ruptura de cerca de 370 MPa.
• Os aços de maior resistência começaram a ser empregados em escala 
crescente a partir de 1950. 
• As modernas estruturas de grande porte incorporam aços de diversas 
categorias, colocando-se materiais mais resistentes nos pontos de maiores 
tensões.
• No Brasil, a indústria siderúrgica foi implantada após a Segunda Guerra 
Mundial, com a construção da Usina Presidente Vargas da CSN - Companhia 
Siderúrgica Nacional, em Volta Redonda, no Estado do Rio de Janeiro
Definições e Histórico
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Definições e Histórico
Edifício Avenida Central, 1961Ponte Rio-Niterói,
vãos laterais de 200 m e vão central de 300 m
• O principal processo de fabricação do aço consiste na produção de 
ferro fundido no alto-forno e posterior refinamento em aço no 
conversor de oxigênio. 
• O outro processo utilizado consiste em fundir sucata de ferro em 
forno elétrico cuja energia é fornecida por arcos voltaicos entre o
ferro fundido e os eletrodos.
• O objetivo é o refinamento do ferro fundido, ao qual são adicionados 
elementos de liga para produzir o aço especificado. 
Processo de fabricação
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• O aço é produzido, basicamente, a partir de minério de ferro, carvão
e cal.
• A fabricação do aço pode ser dividida em quatro etapas:
1. Preparação da carga
2. Redução
3. Refino
4. Laminação
Processo de fabricação
Preparação da carga
• O carvão é processado na coqueria e transforma-se em coque.
• Grande parte do minério de ferro (finos) é aglomerada utilizando-se 
cal e finos de coque.
• O produto resultante é chamado de sinter.
Processo de fabricação
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Redução
• Essas matérias-primas, agora preparadas, são carregadas no alto forno.
• Oxigênio aquecido a uma temperatura de 1000ºC é soprado pela parte de baixo do 
alto forno.
• O carvão, em contato com o oxigênio, produz calor que funde a carga metálica e dá 
início ao processo de redução do minério de ferro em um metal líquido: o ferro-
gusa.
• O gusa é uma liga de ferro e carbono com um teor de carbono muito elevado.
Processo de fabricação
Refino
• Aciarias a oxigênio ou elétricas são utilizadas para transformar o gusa líquido ou 
sólido e a sucata de ferro e aço em aço líquido.
Processo de fabricação
• Nessa etapa parte do carbono contido no gusa é removido 
juntamente com impurezas.
• A maior parte do aço líquido é solidificada em 
equipamentos de lingotamento contínuo para produzir 
semi-acabados, lingotes e blocos.
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Laminação
• Os semi-acabados, lingotes e blocos são processados por equipamentos chamados 
laminadores e transformados em uma grande variedade de produtos siderúrgicos, 
cuja nomenclatura depende de sua forma e/ou composição química.
Processo de fabricação
Processo de fabricação
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• Segundo a composição química, os aços utilizados em estruturas são 
divididos em dois grupos:
1. aços-carbono;
2. aços de baixa liga.
• Em função do teor de carbono, distinguem-se três categorias::
1. baixo carbono - c <0,29%
2. médio carbono - 0,30% < c < 0,59%
3. alto carbono - 0,6% < c < 2,0%
Tipos de Aços Estruturais
Aço carbono
• O aumento de teor de carbono eleva a resistência do aço, porém diminui a sua 
ductilidade (capacidade de se deformar), o que conduz a problemas na soldagem.
• Em estruturas usuais de aço, utilizam-se aços com baixo teor de carbono, que 
podem ser soldados sem precauções especiais.
• Os principais tipos de aço-carbono usados em estruturas, segundo os padrões da 
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), da ASTM (American Society for 
Testing and Materiais) e das normas europeias EN, são:
Tipos de Aços Estruturais
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Aços de baixa liga
• Os aços de baixa liga são aços-carbono acrescidos de elementos de 
liga os quais melhoram algumas propriedades mecânicas.
• Alguns elementos de liga produzem aumento de resistência do aço 
através da modificação da microestrutura para grãos finos.
• Pode-se obter resistência elevada com teor de carbono de ordem de 
0,20%, o que permite a soldagem dos aços sem preocupações 
especiais.
Tipos de Aços Estruturais
Função dos elementos
• Carbono — É o principal responsável pelo aumento da resistênciamecânica 
e pela queda da ductilidade, trabalhabilidade, resistência ao choque e 
soldabilidade. Pelos seus efeitos negativos, é mantido baixo.
• Manganês — Atua como o carbono, embora em escala menor. Se dissolve 
na ferrita e ainda contribui para aumentar a endurecibilidade, em aços 
endurecíveis. 
 Geralmente, nos aços-liga de alta resistência para estruturas, o manganês aparece 
em teores mais elevados do que nos aços-carbono estruturais.
 Quando o manganês é introduzido em teores acima de 1%, não há necessidade de 
adicionar outros elementos de liga com o objetivo de melhorar a resistência 
mecânica. 
Tipos de Aços Estruturais
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Função dos elementos
• Fósforo - Aumenta a resistência mecânica, mas prejudica a ductilidade 
do aço, produzindo a chamada "fragilidade a frio" .
 O fósforo em quantidades acima do teor considerado normal — isto é, até 
0,12% —contribui para melhorar sua resistência à corrosão atmosférica, 
sobretudo quando o cobre também está presente em pequenas quantidades. 
 Do mesmo modo que o carbono e o manganês, o fósforo também melhora o 
limite de fadiga dos aços, aproximadamente na mesma proporção que o 
aumento da resistência.
Tipos de Aços Estruturais
• Silício — Aumenta a resistência mecânica e a resistência à oxidação a 
temperaturas elevadas. É geralmente mantido baixo, adicionado nas 
quantidades suficientes para “acalmar” os aços (diminuir desprendimento 
de gases durante a solidificação).
• Cobre — Seu principal efeito é melhorar a resistência à corrosão atmosférica 
do aço; tal efeito é mais acentuado pelo aumento simultâneo do teor de 
fósforo. 
 O cobre exerce ainda considerável influência na resistência mecânica do aço, 
aumentando-a apreciavelmente, com somente ligeiro decréscimo da ductilidade. 
Para isso é preciso que o seu teor seja superior a 0,60%. 
 Nos aços com cobre relativamente alto — acima de 1,0% e mais acentuadamente 
na faixa entre 1,20% e 1,50% — ocorre o fenômeno de "endurecimento por 
precipitação".
Tipos de Aços Estruturais
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• Cromo — Em teores baixos aumenta a resistência, a tenacidade e resistência 
ao choque do aço. Em teores mais elevados, aumenta a resistência ao 
desgaste, por formar carbonetos duros. 
 Geralmente é associado ao níquel e ao cobre, quando também melhora a 
resistência à corrosão atmosférica.
• Níquel — A introdução do níquel beneficia o aço no sentido da melhora das 
suas propriedades mecânicas, da resistência à corrosão, além de refinar o 
grão.
 Sob o ponto de vista de resistência à corrosão atmosférica, o níquel é quase tão 
benéfico quanto o cobre.
Tipos de Aços Estruturais
• Molibdênio — Além de aumentar a resistência mecânica, sua ação é de
melhorar as propriedades a temperaturas mais elevadas.
• Zircônio — É eventualmente adicionado para desoxidar, atuando igualmente
no sentido de garantir granulação fina.
• Alumínio — Utilizado para desoxidar e refinar o grão. De todos os elementos
de liga, é considerado o mais eficiente para controlar o crescimento de grão.
• Vanádio — Aumenta a resistência dos aços considerados, porque
fortalece a ferrita por endurecimento por precipitação. O endurecimento
mencionado deve-se à precipitação de carboneto e de nitreto de vanádio na
ferrita.
Tipos de Aços Estruturais
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• Nitrogênio — Até cerca de 0,2% atua, de modo econômico, para
melhorar a resistência mecânica. Junto com o vanádio promove o
endurecimento por precipitação.
• Nióbio — Pequenos teores de nióbio elevam o limite de escoamento
do aço e, em menor proporção, o limite de resistência à tração. Com
0,02% de nióbio, esse incremento do limite de escoamento pode ser
da ordem de 7 a 10,5 kgf/mm2.
Tipos de Aços Estruturais
Tipos de Aços Estruturais
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Ensaios de Tração e Cisalhamento Simples
Ensaio de tração
Ensaios de Tração e Cisalhamento Simples
Ensaio de cisalhamento
• Demonstra-se a relação: ܩ = ா
ଶ(ଵାఔ)
• A tensão de escoamento a cisalhamento é proporcional a tensão de 
escoamento em tração simples: ௩݂ ≅ 0.6 ௬݂
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Propriedades do Aço
Ductilidade
• capacidade de o material se deformar soba ação das cargas;
• os aços dúcteis, quando sujeitos a tensões locais elevadas, 
sofrem deformações plásticas capazes de redistribuir as 
tensões;
• conduz a mecanismos de ruptura acompanhados de grandes 
deformações que fornecem avisos da atuação de cargas 
elevadas.
Fragilidade
• oposto da ductilidade;
• materiais frágeis se rompem bruscamente;
• pode originar-se de temperatura baixa;
• dezenas de acidentes com navios, pontes etc. foram 
provocados pela fragilidade do aço, decorrente de 
procedimento inadequado de solda.
Propriedades do Aço
Resiliência
• capacidade de absorver energia mecânica em regime 
elástico.
Tenacidade
• energia total, elástica e plástica que o material pode 
absorver por unidade de volume até a sua ruptura.
Dureza
• resistência ao risco ou abrasão;
• é um meio expedito de verificar a resistência do aço.
Efeito de Temperatura Elevada
• modificam as propriedades físicas dos aços.
Fadiga
• aparecimento de fraturas que se propagam com a 
repetição do carregamento.
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Propriedades do Aço
Corrosão
• reação do aço com alguns elementos presentes no 
ambiente em que se encontra exposto;
• o produto desta reação, óxido de ferro, é muito similar 
ao minério de ferro;
• promove a perda de seção das peças de aço, podendo 
se constituir em causa principal de colapso;
Proteção por detalhes construtivos aliados a:
1. Galvanização
2. Pintura
Eletrólito: umidade 
atmosférica, com sua 
condutividade aumentada 
pela presença da poluição 
industrial ou marítima;
Ânodo: parte do metal que é 
corroído;
Cátodo: parte da mesma 
superfície metálica ou outro 
metal;
Propriedades do Aço
Detalhes construtivos:
• evitar a formação de regiões de estagnação de 
detritos ou líquidos;
• prever furos de drenagem na estrutura;
• prever acessos e espaços para permitir a 
manutenção
• preencher com mastiques ou solda de vedação 
as frestas que ocorrem nas ligações;
• evitar intermitência nas ligações soldadas
• evitar sobreposição de materiais diferentes
• evitar que elementos metalicos fiquem semi-
enterrados ou semi-submersos;
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Propriedades do Aço
Pintura
• limpeza da peça pode ser feito por escovamento, aplicação de 
solventes ou jateamento;
 a vida útil do revestimento é função do grau de limpeza da superfície do 
elemento a ser pintado;
• peças metálicas recebem uma ou duas demãos de tinta de fundo 
(primer);
 umedece adequadamente a superfície e fornece adesão à camada 
subsequente de pintura;
• uma ou duas demãos da tinta de acabamento;
 fornece espessura ao sistema, aumentando o caminho dos agentes 
corrosivos;
 aparência final ao substrato, como cor e textura;
 barreira aos agentes agressivos do meio ambiente;
Propriedades do Aço
Galvanização
• limpeza adequada da superfície;
• adição, por imersão, de uma camada de zinco às 
superfícies de aço;
• o zinco tem maior potencial do que o ferro de forma 
que se os dois forem combinados, o zinco atuará 
como ânodo e o ferro como cátodo;
O aço revestido com zinco está protegido de duas 
maneiras distintas:
• estando íntegra, atua como uma barreira evitando 
que o oxigênio e a água entrem em contato com o 
aço;
• caso ela tenha qualquer descontinuidade, o zinco 
passa a atuar como ânodo, corroendo-se em lugar do 
ferro; Proteção catódica com ânodos 
de sacrifício;
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Padronização ABNT
• Segundo a especificação NBR 7007 - Aços para perfis laminados para usoestrutural da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), os aços podem 
ser enquadrados nas seguintes categorias, designadas a partir do limite de 
escoamento de aço:
1. MR250, aço de média resistência: ( ௬݂ = 250 ܯܲܽ, ௨݂ = 400 ܯܲܽ)
 ASTM A-36
2. AR350, aço de alta resistência: ( ௬݂ = 350 ܯܲܽ, ௨݂ = 450 ܯܲܽ)
 ASTM A-572 Gr50
3. AR-COR415 , aço de alta resistência ( ௬݂ = 415 ܯܲܽ, ௨݂ = 520 ܯܲܽ), resistente 
à corrosão.
 ASTM A-588
 COR-500
Padronização ABNT
Limites de aplicabilidade da NBR 8800:
1. Resistência ao escoamento: ௬݂ ≤ 450 ܯܲܽ
2. Relação entre as resistência à ruptura e ao escoamento:
௨݂
௬݂
≥ 1.18
Propriedades do aço segundo a NBR 8800:
• Módulo de Elasticidade: ܧ = 200 ܩܲܽ
• Coeficiente de poisson: ߥ = 0.3
• Módulo de Elasticidade transversal: ܩ = 77 ܩܲܽ
• Coeficiente de dilatação térmica: ߚ = 1.2x 10ିହ/ºC
• Massa específica: ߩ = 7850kg/m³
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Padronização ABNT
Obrigado!