Aula 4 Concreto Armado 1 Propriedades mecânicas do aco

Prévia do material em texto

24/03/2015
1
Estruturas de Concreto Armado 1
Armação de um dos pilares do vertedouro da UHE JIRAU – Rio Madeira - RO
Aula 04 Aula 04 
Propriedades Propriedades 
mecânicas do açomecânicas do aço
Universidade de Brasília:
Departamento de Engenharia Civil e Ambiental Departamento de Engenharia Civil e Ambiental -- ENCENC
Estruturas de Concreto Armado 1
Estudo do Material Aço
Nas estruturas de concreto armado, as barras e os fios de aço da armadura são
convenientemente posicionados nos elementos estruturais de tal modo a absorver
as forças resultantes das tensões de tração, que são forças resistentes necessárias
para atender ao equilíbrio dos esforços solicitantes.
Os tipos de barras e fios de aços encontrados no comércio apresentam formas da
superfície, dimensões dos diâmetros e processo de fabricações diferentes. A escolhap , p ç
do tipo a adotar em estruturas depende da forma do elemento estrutural, das
intensidades das solicitações e da disponibilidade de fornecimento no local da
construção.
2
24/03/2015
2
Estruturas de Concreto Armado 1
O aço é um produto siderúrgico obtido por via líquida, com teor de carbono inferior a 2%. Os
aços utilizados nas estruturas de concreto armado, apresentam um teor de carbono ≤ 0,5%.
Esses aços são encontrados comercialmente na forma de barras ou fios, devendo satisfazer as
prescrições da NBR-7480.
Segundo a NBR 6118 (2014), a massa específica dos aços para concreto
armado pode ser tomada como γ=7850kg/m3.
3
Estruturas de Concreto Armado 1
Processo de Fabricação
Os aços são obtidos por meio da mistura de minério de ferro, coque e fundentes, como
calcário que são sinterizados em altos fornos com 20m a 30m de altura e temperaturascalcário, que são sinterizados em altos fornos, com 20m a 30m de altura, e temperaturas
próximas de 1500oC. São adicionados, posteriormente, silício, manganês, fósforo e
principalmente carbono, gerando o ferro gusa, que é submetido a uma oxidação em fornos
especiais, transformando a mistura em aço líquido que é moldado em lingotes.
Aço é definido como produto siderúrgico com porcentagem de carbono entre 0,008% e 2%. O
limite inferior corresponde à mínima solubilidade do carbono no ferro à temperatura ambiente
4
limite inferior corresponde à mínima solubilidade do carbono no ferro à temperatura ambiente
e o limite superior à máxima quantidade de carbono que se dissolve no ferro o que ocorre a
1147oC. Os aços destinados para as barras e fios a serem usados em estruturas de concreto
armado têm, em geral, 0,5% de teor de carbono ou menos .
24/03/2015
3
Estruturas de Concreto Armado 1
Alto-forno
Pela parte superior do alto-forno, são carregados minério, calcário e coque. Pela parte inferior
do forno insufla-se ar quente. O coque queima produzindo calor e monóxido de carbono, que
ó á óreduzem o óxido de ferro a ferro liquefeito, com excesso de carbono. O Calcário converte o pó
do coque em escória fundida.
O Produto do alto-forno é chama-se ferro fundido ou ferro gusa. Ë uma liga de ferro com alto
teor de carbono e diversas impurezas.
Conversor de Oxigênio
O refinamento do ferro fundido em aço é feito no conversor de oxigênio e consiste em remover
5
ç g
o excesso de carbono e reduzir a quantidade de impurezas a limites prefixados. O Conversor
de oxigênio baseia-se na injeção de oxigênio dentro da massa líquida de ferro fundidos. O aço
líquido é analisado, podendo modificar-se a mistura até se obter a composição desejada.
Quando as reações estão acabadas, o produto é lançado numa panela, e a escória, mais
pesada, é descarregada em outro recipiente.
Estruturas de Concreto Armado 1
Tratamento do aço na Panela.
O aço líquido superaquecido absorve gases da atmosfera e oxigênio da escória. O gás é
expelido lentamente com o resfriamento da massa líquida, porém, ao se aproximar da
ã êtemperatura de solidificação, o aço ferve e os gases escapam rapidamente. A conseqüência
desse fato é a formação de grandes vazios no aço. Para evitar isso, os gases devem ser
absorvidos, adicionando-se elementos como alumínio e silício na panela, em um processo
conhecido por desgaseificação. .
Lingoteamento
Da panela, o aço fundido é descarregado nas lingoteiras, que são fôrmas metálicas especiais
6
Da panela, o aço fundido é descarregado nas lingoteiras, que são fôrmas metálicas especiais
permitindo a confecção de blocos, denominados lingotes.
Transcorrido o tempo necessário para repouso, os carros das lingoteiras são transferidos para a
seção de desmoldagem, onde os lingotes são extraídos e colocados em vagões especiais, para
transporte até forno de regularização de temperatura preparatórios para a laminação.
24/03/2015
4
Estruturas de Concreto Armado 1
Tratamento industrial dos aços
O produto siderúrgico apresenta granulação grosseira, quebradiço e com pouca resistência.
Portanto, para aplicações nas estruturas de concreto, ele precisa passar por processo industrial
â éque melhore as propriedades mecânicas, que é feito de dois modos: tratamento a quente e/ou
a frio.
A - Tratamento a quente
É chamado tratamento a quente o processo industrial de laminação, forjamento ou estiramento
das barras e fios de aço, realizados em temperatura acima de 720oC. Por qualquer desses
processos, o aço recristaliza na forma de pequenos grãos, melhorando suas propriedades
mecânicas por exemplo a resistência
7
mecânicas, por exemplo a resistência.
B - Tratamento a frio ou encruamento
A recristalização é conseguida com tratamento mecânico (tração, compressão ou torção das
barras e fios) a frio, assim os grãos permanecem deformados e diz-se que o material fica
encruado.
Estruturas de Concreto Armado 1
Processo de Fabricação
8
24/03/2015
5
Estruturas de Concreto Armado 1
9
Estruturas de Concreto Armado 1
10
24/03/2015
6
Estruturas de Concreto Armado 1
11
Estruturas de Concreto Armado 1
Nomenclatura
A denominação dos aços utilizados nas estruturas de concreto armado é feita pelas letras CA
(Concreto Armado), pela sua resistência característica ao escoamento (em kgf/mm2).
E lExemplo:
CA-50
CA → aço para o concreto armado;
50 → fyk = 50 kgf/mm2
Segundo a nova NBR 7480 (1996), a classificação se reduz às três categorias abaixo, sendo,
porém, permitido que se utilize categorias diferentes.
CA – 25 A 
CA – 50 A
CA – 60 B
12
24/03/2015
7
Estruturas de Concreto Armado 1
Tipos de Aço Para o Concreto Armado
Os tipos de aços normalizados pela NBR-7480 são definidos em função da sua resistência
característica ao escoamento (fyk) e de sua classe (A ou B), como segue:
Observações:
Come cialmente hoje só e istem os aços CA 25 CA 50 e CA 60- Comercialmente hoje só existem os aços CA-25, CA-50 e CA-60;
- Diâmetro das barras (mm): 5 - 6,3 - 8 - 10 - 12,5 - 16 - 20 - 25 - 32 - 40;
- Diâmetro dos fios (mm): 3,2 - 4,2 - 5 - 6,3 - 8 - 10 - 12,5;
- Os diâmetros 32 e 40mm são encontrados comercialmente, mas somente sobre pedido 
específico.
13
Estruturas de Concreto Armado 1
Dimensões
O aço é vendido em forma de barras (para aços com φ ≥ 5mm) e fios (φ ≤10mm).
Os fios são vendidos em rolos e as barras possuem comprimento variando entre 10
e 12 m, sendo limitado por norma o valor de 11,00 m ± 9%. A Tabela a seguir
apresenta as características dos fios e barras mais utilizados no mercado brasileiro.
14
24/03/2015
8
Estruturas de Concreto Armado 1
Tabela – Bitolas padronizadas de fios e barras [ABNT NBR 7480:2007]
15
Estruturas de Concreto Armado 1
Tabela - Propriedades mecânicas de fios e barras de aço [ABNT NBR 7480:2007]
16
24/03/2015
9
Estruturas de Concreto Armado 1
Simbologia e especificações
fyk , resistência característica do aço ao escoamento;
f i tê i d ál l d t f /1 15fyd , resistência de cálculo do aço ao escoamento, fyk /1,15;
fyck , resistênciacaracterística do aço à compressão, se não houver determinação
experimental, fyck = fyk;
fycd , resistência de cálculo do aço á compressão, fyck /1,15;
y , deformação específica ao escoamento do aço;
yd , deformação específica de cálculo ao escoamento do aço.
Es , módulo de deformação longitudinal.
17
Estruturas de Concreto Armado 1
RESISTÊNCIA DO AÇO
Diagramas Tensão versus Deformação:
Aços com tensão de escoamento realç
Os aços desta categoria apresentam um patamar de escoamento bem caracterizado, tendo
seu diagrama Tensão versus Deformação real representado na Figura (a). Na Figura (b) é
representado o diagrama simplificado ou padronizado, a ser considerado no dimensionamento,
tendo como limite uma deformação de εs=10‰ para o alongamento, a fim de se evitar a
deformação excessiva da peça.
18
24/03/2015
10
Estruturas de Concreto Armado 1
Aços com tensão de escoamento convencianal
Os aços desta categoria são, após a laminação à quente, encruados por deformação a frio. Estes
aços não têm patamar de escoamento bem definido, sendo adotado um “limite convencional de
escoamento”, fyk, como a tensão sob a qual, sendo descarregada a peça, reste uma deformação deescoamento , fyk, como a tensão sob a qual, sendo descarregada a peça, reste uma deformação de
2‰. Os ensaios mostram ainda que até o valor de 0,7.fyk, o diagrama se mantém retilíneo, sendo
caracterizado um regime elástico nesta fase.
0,7.fyk - Limite de proporcionalidade; ponto até onde é válida a lei de Hooke (comportamento
perfeitamente elástico).
19
Estruturas de Concreto Armado 1
Para cálculo, a norma estabelece a utilização do diagrama simplificado mostrado na Figura,
para os aços com ou sem patamar de escoamento. Esse diagrama é válido para intervalo de
Diagramas Tensão versus Deformação – NBR 6118/2014:
temperatura entre -20ºC e 150ºC e também para o aço comprimido, resultando em
comportamento idêntico para ambas as solicitações.
Formato Padrão – NBR 
6118:2014
20
Diagrama de cálculo – NBR 
6118:2014
24/03/2015
11
Estruturas de Concreto Armado 1
Os alongamentos (s) são limitados a 10 ‰;
O encurtamento na flexão simples ou composta é limitado a 3,5 ‰;
O encurtamento na compressão simples é limitado a 2 ‰
21
Estruturas de Concreto Armado 1
Módulo de Elasticidade
Para todos os aços utilizados em concreto armado, seja ele classe A ou B, o ângulo α sempre
constante, e na falta de ensaios ou valores fornecidos pelo fabricante, o módulo de elasticidade
do aço pode ser admitido igual a 210GPa.
22
24/03/2015
12
Estruturas de Concreto Armado 1
Ensaio de tração – Laboratório de Eng. Estruturas – SET/EECS/USP.
Extensômetros mecânicos - Ensaio de tração – Laboratório de Eng. Estruturas – SET/EECS/USP.
23
Estruturas de Concreto Armado 1
Estricção da seção transversal do corpo de prova
24
24/03/2015
13
Estruturas de Concreto Armado 1
Coeficiente de Dilatação Térmica
O coeficiente de dilatação térmica do aço, para intervalos de temperatura entre –20oC e 150oC,
segundo a NBR 6118/2014, pode ser considerado de α=10-5/oC.
Observe-se que este valor é o mesmo do concreto. Isto faz com que ambos os materiais
deformem a mesma quantidade ao variar a temperatura da peça, o que favorece seu
funcionamento conjunto, impedindo o surgimento de tensões nas interfaces.
25
Estruturas de Concreto Armado 1
A aderência entre aço e concreto
A aderência pode ser dividida em:
-Aderência por adesão;
-Aderência por atrito;
-Aderência mecânica.
Adesão  ligações físico-químicas na interface dos materiais durante a pega doAdesão  ligações físico químicas na interface dos materiais, durante a pega do
cimento;
Atrito  verifica-se ao se processar o arrancamento da barra de aço do bloco de
concreto que a envolve;
Mecânica  é decorrente da existência de nervuras ou entalhes na superfície da
barra.
26
24/03/2015
14
Estruturas de Concreto Armado 1
Normatização
1. NBR 7480 – Barras e fios de aço destinados a armaduras de concreto armado.
2. NBR 6118 – Projeto e execução de obras de concreto armado – Procedimento.
3. NBR 6152 – Materiais metálicos – Determinação das propriedades mecânicas à tração –
Método de ensaio.
4. NBR 6153 – Produtos metálicos – ensaio de dobramento semiguiado – Método de ensaio.
27