TCC Estruturas Metálicas e análise de falha

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FACULDADE REDENTOR 
GRADUAÇÃO ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
 
 
ANTONIO CARDOSO NETO 
ARTHUR DE OLIVEIRA PEREIRA GOUVEIA 
 
 
 
 
 
ANÁLISE DE FALHA E REDIMENSIONAMENTO DA 
ESTRUTURA METÁLICA DO CENTRO POLIESPORTIVO DA 
CIDADE DE BARÃO DO MONTE ALTO - MG 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Itaperuna 
2016 
 
 
 
 
ANTONIO CARDOSO NETO 
ARTHUR DE OLIVEIRA PEREIRA GOUVEIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ANÁLISE DE FALHA E REDIMENSIONAMENTO DA 
ESTRUTURA METÁLICA DO CENTRO POLIESPORTIVO 
DA CIDADE DE BARÃO DO MONTE ALTO - MG 
 
 
 
 
 
 
 
 
Projeto de graduação apresentado 
ao Curso de Engenharia Mecânica 
da Faculdade Redentor como parte 
dos requisitos para obtenção do 
título de Bacharel em Engenharia 
Mecânica. 
 
 
 
 
Orientador: M.Sc Victor Barbosa de Souza 
 
 
 
 
 
 
 
 
Itaperuna 
2016 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dedicamos esta, como todas as demais 
conquistas, a todos aqueles que de 
alguma forma estão perto de nós, 
fazendo nossas vidas valerem mais a 
pena! 
 
 
 
 
AGRADECIMENTOS 
 
Antes de mais nada, gostaria de agradecer a Deus pela oportunidade e 
por sempre me dar forças para continuar seguindo em frente. É um sonho que 
está sendo realizado. Gostaria de agradecer meu Pai Vanderlei e minha Mãe 
Eliene, que não mediram esforços para a realização desse sonho e sempre me 
deram forças para continuar e me ensinaram a ser um homem de verdade, aos 
meus irmãos Júnior e Marcos, todos os meus familiares e amigos, que de uma 
maneira ou de outra contribuíram para que eu pudesse chegar onde cheguei, 
gostaria de agradecer minha namorada Clarissa, por toda dedicação e paciência 
em todo esse tempo de faculdade. Gostaria de agradecer a todos os professores 
que passaram pela minha estrutura curricular, principalmente o meu Orientador 
Victor, que, mesmo sendo um grande amigo, não deixou de me cobrar em 
momento algum para o sucesso desse nosso trabalho. Ao meu amigo e dupla 
neste trabalho Arthur e a todos os outros membros da banca. 
 
Antonio Cardoso Neto 
 
Agradeço a Deus por ter me dado saúde e força para superar as 
dificuldades. A esta universidade, seu corpo docente, direção e administração 
que oportunizaram a janela que hoje vislumbro um horizonte superior, eivado 
pela acendrada confiança no mérito e ética aqui presentes. Ao meu orientador 
Victor, pelo suporte no pouco tempo que lhe coube, pelas suas correções e 
incentivos. Ao meu colega de curso e dupla neste presente trabalho Antônio que 
ao longo desta trajetória sempre esteve presente e me auxiliando no que 
possível. A minha mãe e minha namorada, pelo amor, incentivo e apoio 
incondicional. E a todos que direta ou indiretamente fizeram parte da minha 
formação, o meu muito obrigado. 
 
Arthur de Oliveira Pereira Gouveia 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
“Para frente e para o alto, eu nunca posso parar. ” 
(Tião Carreiro) 
 
 
 
 
RESUMO 
 As estruturas metálicas, de modo geral, são empregadas para satisfazer 
uma série de fatores importantes para a engenharia como, rápida montagem, 
máximo aproveitamento da área útil, reciclagem dos elementos empregados na 
estrutura, menor peso próprio e economia nas fundações. O objetivo deste 
trabalho é analisar a falha e fazer o redimensionamento da estrutura metálica do 
centro poliesportivo da cidade de Barão do Monte Alto – MG, sabendo-se que a 
estrutura veio a falhar de forma inesperada. Com os resultados obtidos na 
análise Metalográfica e análise de MEV (Microscópio Eletrônico de Varredura), 
pode-se afirmar a causa da falha. A falha pode ocorrer por intermédio de ações 
naturais, falha na execução do projeto ou erro no material. Após apurar a causa 
da falha, realizou-se uma verificação do dimensionamento de toda a obra, para 
apurar se houve algum erro no dimensionamento dos elementos que compõem 
a estrutura. Para o redimensionamento do projeto foram usadas as normas NBR 
8800: 2008 - Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e 
concreto de edifícios para o dimensionamento dos componentes da estrutura e 
a NBR 6123: 1987 - Forças devidas ao vento em edificações para a 
determinação da carga do vento. Durante o projeto será realizado o 
dimensionamento de treliça, viga, ligações soldadas, pilares, chumbadores e 
placas base. Retirou-se amostras em campo para confeccionar os corpos de 
prova utilizados para os ensaios de tração e dureza, além das amostras para 
realizar o ensaio metalográfico e o MEV. Conferiu-se as dimensões dos perfis, a 
fim de compará-las com as dimensões previstas em projeto. Verificou-se, com 
os ensaios de tração e dureza, que o material utilizado foi o aço ASTM A36, 
como previsto em projeto. Nas amostras que foram retiradas para análise 
metalográfica observou-se a formação de martensita e nas amostras que foram 
submetidas à microscopia eletrônica de varredura (MEV), puderam ser 
observadas marcas de praia. Pôde-se concluir que vários fatores contribuíram 
para a falha mecânica da estrutura metálica devido a erros de execução e 
projeto. 
 
 
 
 
 
 
 
ABSTRACT 
The metallic structures generally are employed to satisfy a number of 
important factors for engineering itself, as, fast assembly, maximum utilization of 
floor space, recycling of elements used in the structure, lower own weight and 
savings in the foundations. The objective of this work is to make failure analysis 
and sizing of the metal structure of the multi-sport center Barão do Monte Alto - 
MG, knowing that the structure came to fail unexpectedly. With the results 
obtained in Metallographic analysis and SEM analysis (Scanning Electron 
Microscope), it can be said the cause of the failure. Failure can occur through 
natural actions, failure to execute the project or error in the material. After 
determining the cause of failure, carried out a check of the design of all the work, 
to determine whether there were any errors in the design of the elements that 
make up the structure. For the project resizing will use the NBR 8800: 2008 
standards - design of steel and composite structures of steel and concrete 
structures of buildings for the design of the structural components and the NBR 
6123: 1987 - Forces due to wind on buildings to determining the wind load. During 
the project there will be the design of truss, beam, welded connections, pillars, 
anchor bolts and base plates. He retired in field samples for making the samples 
used for tensile and hardness testing, in addition to the samples to perform 
metallographic test and SEM. Given the dimensions of the profiles in order to 
compare them with the dimensions provided in the project. It was found with the 
tensile and hardness testing, the material used was ASTM A36, as provided for 
in the project. She has performed on the samples underwent analysis 
metallographic formation of martensite and the samples that underwent SEM, it 
showed up beach tags. It was finally sizing the third error, and lack amounts 
throughout the structure. It can be concluded that several factors contribute to the 
mechanical failure of the metal structure. There was running and design errors.LISTA DE FIGURAS 
Figura 1: Local da reconstrução do centro poliesportivo ............................................. 22 
Figura 2: Edifício Garagem América (16 andares) em São Paulo ............................... 28 
Figura 3: Edifício Avenida Central (34 andares) no Rio de Janeiro em 1961 .............. 28 
Figura 4: Edifício Central da CSN (17 andares) em Volta Redonda/RJ ...................... 29 
Figura 5: Esquema de funcionamento do alto-forno ................................................... 30 
Figura 6: Principais tipos de produtos siderúrgicos laminados ................................... 32 
Figura 7: Processo de laminação e esquema dos laminadores ................................. 33 
Figura 8: Tipos de hastes em função da sua predominante solicitação ..................... 36 
Figura 9: Alguns tipos de sistemas planos ................................................................. 37 
Figura 10: Processo de soldagem por eletrodo manual revestido .............................. 40 
Figura 11: Exemplo de solda por eletrodo revestido, com porosidade ........................ 41 
Figura 12: Esquema bidimensional, onde cristais diferentes se encontram ................ 42 
Figura 13: Superfície mal polida ................................................................................ 43 
Figura 14: Superfície bem polida e sem ataque ......................................................... 44 
Figura 15: Macrografia de um aro de roda de bonde, restaurado por solda ................ 44 
Figura 16: Análise de MEV feita em uma peça de máquina de estampagem .............. 45 
Figura 17: Corpos de prova utilizados para ensaio de tração ...................................... 46 
Figura 18: Gráfico tensão X deformação ..................................................................... 50 
Figura 19: Determinação de E para materiais com pequena zona elástica ................. 51 
Figura 20: Limite de Johnson ..................................................................................... 52 
Figura 21: Limite de Johnson ...................................................................................... 53 
Figura 22: Limite de Johnson ...................................................................................... 53 
Figura 23: Limite de Johnson ...................................................................................... 54 
Figura 24: Limite de Johnson ...................................................................................... 54 
Figura 25: Limite de Escoamento................................................................................ 55 
Figura 26: Comportamento típico da curva tensão-deformação de engenharia .......... 56 
Figura 27: Deformação ............................................................................................... 57 
Figura 28: Aumento do encruamento pelo escoamento .............................................. 57 
Figura 29: Energia para romper - módulo de tenacidade (a) material dúctil, (b) material 
frágil ............................................................................................................................ 59 
Figura 30: Comparação entre resiliência e tenacidade de dois aços ........................... 59 
Figura 31: Representação esquemática do comportamento tensão-deformação ........ 60 
Figura 32: Fluxograma de Análise de Falha ............................................................... 61 
Figura 33: Torno mecânico onde realizou-se o processo de Usinagem ...................... 62 
Figura 34: Máquina para ensaio de tração da Faculdade Redentor ........................... 62 
 
 
 
 
Figura 35: Componentes básicos de uma máquina de ensaio universal .................... 62 
Figura 36: Máquina de ensaio de Dureza da Faculdade Redentor ............................. 65 
Figura 37: Distribuição de cortes ............................................................................... 67 
Figura 38: Máquina utilizada para realizar o corte das amostras ............................... 68 
Figura 39: Máquina utilizada para realizar o lixamento das amostras ........................ 69 
Figura 40: Microscópio PANTEC utilizado para observar a microestrutura das amostras
 ................................................................................................................................... 70 
Figura 41: Pilar da estrutura falhada onde foi retirado o material para a análise de MEV
 ................................................................................................................................... 71 
Figura 42: Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV), Shimadzu, modelo SSX-550, 
LAMAV/UENF ............................................................................................................. 71 
Figura 43: Mapa brasileiro com as velocidades características de cada região do país
 ................................................................................................................................... 74 
Figura 44: Fatores topográficos S1 ............................................................................. 75 
Figura 45: Filete de solda, seção real e teórica .......................................................... 99 
Figura 46: Dimensões do filete de solda .................................................................. 100 
Figura 47: Cálculo de placa base com carga centrada ............................................. 102 
Figura 48: Cargas nos chumbadores ....................................................................... 104 
Figura 49: Dimensões da sapata ............................................................................. 107 
Figura 50: Ângulo da biela diagonal ......................................................................... 109 
Figura 51: Vista da sapata em corte ........................................................................ 109 
Figura 52: Corpo de prova após o ensaio de tração ................................................. 112 
Figura 53: Gráfico obtido no ensaio de tração .......................................................... 112 
Figura 54: Gráfico obtido no ensaio de tração com os valores calculados. ............... 116 
Figura 55: Gráfico do resultado do ensaio de dureza. ............................................... 117 
Figura 56: Amostra 1, zona de corte na solda 100X ................................................ 119 
Figura 57: Amostra 1, zona de corte na solda 200X ................................................. 119 
Figura 58: Amostra 1, zona de corte na solda 400X ................................................. 119 
Figura 59: Amostra 1, zona de corte na solda 600X ................................................. 120 
Figura 60: Amostra 1, zona de corte na solda 1000X................................................ 120 
Figura 61: Amostra 2, zona de corte próxima a solda 100X ..................................... 121 
Figura 62: Amostra 2, zona de corte próxima a solda 200X ...................................... 121 
Figura 63: Amostra 2, zona de corte próxima a solda 400X ...................................... 121 
Figura 64: Amostra 2, zona de corte próxima a solda 600X ...................................... 122 
Figura 65: Amostra 2, zona de corte próxima a solda 1000X .................................... 122 
Figura 66: Amostra 3, zona intermediaria 100X ....................................................... 123 
Figura 67: Amostra 3, zona intermediaria 200X ........................................................ 123 
 
 
 
 
Figura 68: Amostra 3, zona intermediaria 400X ........................................................ 123 
Figura 69: Amostra 3, zona intermediaria 600X ........................................................124 
Figura 70: Amostra 3, zona intermediaria 1000X ...................................................... 124 
Figura 71: Amostra 4, zona inalterada 100X ............................................................. 125 
Figura 72: Amostra 4, zona inalterada 200X ............................................................. 125 
Figura 73: Amostra 4, zona inalterada 400X ............................................................. 125 
Figura 74: Amostra 4, zona inalterada 600X ............................................................. 126 
Figura 75: Amostra 4, zona inalterada 1000X ........................................................... 126 
Figura 76: Amostra 1 com aumento de 17x ............................................................. 127 
Figura 77: Amostra 1 com aumento de 40x ............................................................. 127 
Figura 78: Amostra 1 com aumento de 100x ........................................................... 127 
Figura 79: Amostra 2 com aumento de 17x .............................................................. 128 
Figura 80: Amostra 2 com aumento de 40x .............................................................. 128 
Figura 81: Amostra 2 com aumento de 100x ........................................................... 129 
Figura 82: Amostra 3 com aumento de 17x ............................................................. 129 
Figura 83: Amostra 3 com aumento de 40x ............................................................. 130 
Figura 84: Amostra 3 com aumento de 100x ........................................................... 130 
Figura 85: Amostra 4 com aumento de 17x ............................................................. 131 
Figura 86: Amostra 4 com aumento de 40x ............................................................. 131 
Figura 87: Amostra 4 com aumento de 100x ........................................................... 132 
Figura 88: Mapa da velocidade básica dos ventos ................................................... 133 
Figura 89: Coeficiente de pressão e formas das paredes ......................................... 135 
Figura 90: Coeficiente de pressão e forma externos do telhado ............................... 136 
Figura 91: Carregamentos Resultantes .................................................................... 136 
Figura 92: Carregamentos Resultantes .................................................................... 137 
Figura 93: Características geométricas da telha trapezoidal 40 ............................... 137 
Figura 94: Carregamento para combinações PPy + V .............................................. 140 
Figura 95: Diagrama de momento fletor para combinações PPy + V ........................ 140 
Figura 96: Diagrama de esforço cortante para as combinações PPy + V ................. 140 
Figura 97: Carregamento para combinação PPx + SCx ............................................ 141 
Figura 98: Diagrama de momento fletor para combinações PPx + SCx .................... 141 
Figura 99: Diagrama de esforço cortante para combinações PPx + SCx .................. 141 
Figura 100: Perfil U enrijecido .................................................................................. 142 
Figura 101: Carregamento para combinações PPy + V ............................................ 149 
Figura 102: Diagrama de momento fletor para combinações PPy + V ...................... 149 
Figura 103: Diagrama de esforço cortante para as combinações PPy + V ............... 150 
Figura 104: Carregamento para combinação PPx + SCx .......................................... 150 
 
 
 
 
Figura 105: Diagrama de momento fletor para combinações PPx + SCx .................. 150 
Figura 106: Diagrama de esforço cortante para combinações PPx + SCx ................ 150 
Figura 107: Perfil U enrijecido .................................................................................. 151 
Figura 108: Perfil U laminado ................................................................................... 158 
Figura 109: Carregamento para a combinação PP + SC ......................................... 159 
Figura 110: Diagrama de esforço cortante para combinação PP + SC .................... 159 
Figura 111: Diagrama de momento fletor para a combinação PP + SC ................... 160 
Figura 112: Diagrama para a combinação PP + V ................................................... 160 
Figura 113: Diagrama de esforço cortante para a combinação PP + V .................... 160 
Figura 114: Diagrama de momento fletor para a combinação PP + V ...................... 161 
Figura 115: Perfil U simples de chapa dobrada ........................................................ 164 
Figura 116: Esforços solicitantes da tesoura ............................................................ 165 
Figura 117: Perfil U simples de chapa dobrada ........................................................ 168 
Figura 118: Perfil I Laminado .................................................................................... 171 
Figura 119: Pórtico da estrutura antiga .................................................................... 179 
Figura 120: Foto de campo do pórtico da estrutura antiga ....................................... 180 
Figura 121: Pórtico da estrutura nova ...................................................................... 180 
Figura 122: Gráfico de Orçamento ........................................................................... 185 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE TABELAS 
Tabela 1: Desproporcionalidade entre módulo elasticidade e temperatura ................ 51 
Tabela 2: Coeficientes para conversão de HR para HB ............................................. 66 
Tabela 3: Certificado de matéria prima do aço ASTM A36 .......................................... 66 
Tabela 4: Fator S1 ..................................................................................................... 75 
Tabela 5: Categorias de classificação da rugosidade ................................................ 76 
Tabela 6: Classes das dimensões da edificação ........................................................ 76 
Tabela 7: Categoria de rugosidade do terreno ............................................................ 77 
Tabela 8: Fatores Probabilísticos ............................................................................... 77 
Tabela 9: Coeficiente de Pressão e de Forma, externos, para paredes edificações 
retangulares ................................................................................................................ 79 
Tabela 10: Coeficiente de Pressão e forma, externos, para telhados de edificações 
retangulares ................................................................................................................ 80 
Tabela 11: Coeficiente de Ponderação para ações variáveis e permanentes ............. 81 
Tabela 12: Fatores de combinação ψ ........................................................................ 81 
Tabela 13: Valores máximos da relação largura-espessura ....................................... 82 
Tabela 14: Coeficiente de Flambagem por flexão de elementos isolados .................. 96 
Tabela 15: Valores de (b/t)lim .................................................................................... 97 
Tabela 16: Dimensões mínimas de filetes de solda ................................................... 99 
Tabela 17: Dimensão mínima da garganta de solda ................................................ 100 
Tabela 18: Resistência do Eletrodo (fw) ................................................................... 101 
Tabela19: Limites de escoamento e ruptura para aços ........................................... 103 
Tabela 20: Distância mínima chumbadores e chumbadores/extremidade ................ 105 
Tabela 21: Comprimento de arrancamento dos chumbadores em mm .................... 106 
Tabela 22: Resultados obtidos .................................................................................. 115 
Tabela 23: Resultados do ensaio de dureza ............................................................ 116 
Tabela 24: Perfis da estrutura desabada. Os perfis estão descritos pelo tamanho da 
bitola e peso próprio respectivamente ...................................................................... 133 
Tabela 25: Tabela de fator de rugosidade S2 ........................................................... 134 
Tabela 26: Fator Estatístico S3 ................................................................................. 134 
Tabela 27: Catálogo de telhas ................................................................................. 137 
Tabela 28: Resultado dos esforços solicitantes ....................................................... 141 
Tabela 29: Resultado dos esforços solicitantes ....................................................... 151 
Tabela 30: Espessura da chapa x Filete de solda .................................................... 173 
Tabela 31: Comparativo da estrutura desabada com a estrutura nova .................... 179 
 
 
 
 
 
LISTA DE SÍMBOLOS 
𝑓𝑦 - Limite de escoamento do aço 
𝑓𝑢 - Limite de ruptura do aço 
σn - Limite de escoamento 
So − Área inicial da seção transversal do corpo de prova 
σr - Limite de resistência 
Qn − Carga máxima atingida durante o ensaio 
A − Alongamento total 
Lf − Comprimento útil final do corpo de prova 
Lo − Comprimento útil inicial do corpo de prova 
φ − Estricção total na área útil do corpo de prova 
Sf − Área útil depois da ruptura 
UT − Tenacidade 
σe − Limite de escoamento 
εf − Deformação final 
θ − Grau e deformação 
ln − Função matemática (logaritmo Neperiano) 
HC - Escala de dureza Rockwell C 
HB – Escala de dureza Rockwell B 
𝑆1 – Fator Topográfico 
𝑆2 – Fator de Rugosidade 
𝑆3 – Fator Probabilístico 
𝑉𝑘 – Velocidade característica dos ventos 
𝑉0 – Velocidade Inicial 
q – Pressão dinâmica dos ventos 
𝐶𝑝𝑖 – Coeficiente de pressão interna 
𝐶𝑝𝑒 – Coeficiente de pressão externa 
𝐹𝐺𝑖,𝑘 - Valores característicos das ações permanentes 
𝐹𝑄1,𝑘 - Valor característico da ação variável considerada principal para combinação 
𝐹𝑄𝑗,𝑘 - Valores característicos das ações variáveis que podem atuar simultaneamente 
com a ação principal 
𝛾 - Coeficiente de ponderação da resistência ou das ações 
𝜓 - fator de combinação de ações 
b - Comprimento 
t - Espessura 
MSd - Momento fletor solicitante de cálculo 
 
 
 
 
MRd - Momento fletor resistente de cálculo 
Wef - Módulo e resistência elástica 
𝛾 - Coeficiente de ponderação das resistências 
VSd - Esforço cortante solicitante de cálculo 
h - Largura da alma 
E - Módulo de elasticidade 
VRd - Força cortante resistente de cálculo 
Wx - Módulo de resistência elástico mínimo da seção transversal em relação ao eixo de 
flexão 
𝛾al - Coeficiente de segurança do material 
bf - Largura da mesa comprimida 
tf - Espessura da mesa comprimida 
Zx - Módulo de resistência plástico 
Zy - Módulo de resistência plástico 
𝑊𝑒𝑓,𝑦 - Módulo de resistência mínimo elástico, relativo ao eixo de flexão 
Aw - Área efetiva ao cisalhamento 
Sy - Momento estático, em relação ao eixo Y 
Iy - Momento de inércia da seção transversal em relação ao eixo Y 
Sx - Momento estático, em relação ao eixo X 
Ix - Momento de inércia da seção transversal em relação ao eixo X 
TSd - Momento de torção solicitante de cálculo 
J - Constante de torção da seção transversal 
X - Fator de redução total associada à resistência à compressão 
𝜐 - Constante de Poison 
K - Parâmetro de flambagem 
r - raio de giração 
𝑁𝑐,𝑠𝑑 - Força axial de compressão solicitante de cálculo 
Q - Fator de redução total associado à flambagem local 
Ag - Área bruta da seção transversal da barra 
𝜆0 - índice de esbeltez 
𝑁𝑡,𝑆𝑑 - Força axial de tração solicitante de cálculo 
𝑁𝑐,𝑠𝑑 - Força axial de compressão solicitante de cálculo 
fck - Resistencia do concreto do bloco de fundação 
fcu - Tensão atuante no concreto 
Nut - Carga axial de tração 
Anec - Área necessária dos chumbadores 
 
 
 
 
nt - Número de chumbadores tracionados 
nc - Número de chumbadores cisalhados 
dc - Diâmetro do chumbador 
Tu - Carga axial fatorada 
Hu - Carga Horizontal fatorada 
𝜎s - Tensão admissível do solo 
Pp - Peso próprio da sapata 
𝐶𝑡 - coeficiente de redução da área liquida 
𝐴𝑛 - área liquida da barra 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
RESUMO ..................................................................................................................... 6 
ABSTRACT ................................................................................................................. 7 
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 22 
1.1 JUSTIFICATIVA ................................................................................................ 23 
1.2 OBJETIVOS ...................................................................................................... 23 
1.2.1 Objetivos Gerais ....................................................................................... 23 
1.2.2 Objetivos Específicos ............................................................................... 23 
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................... 25 
2.1 A UTILIZAÇÃO DO AÇO NAS CONSTRUÇÕES ............................................. 25 
2.2 USO DE ESTRUTURAS DE AÇO NO MUNDO ................................................ 25 
2.2.1 A escola de Chicago (1880-1910) ............................................................. 25 
2.2.2 França, Bélgica e Suíça (1890-1930) ........................................................ 26 
2.2.3 Alemanha (1910-1930) .............................................................................. 26 
2.2.4 Os arranha-Céus nos Estados Unidos (1890-1930) ................................ 27 
2.3 O USO DE ESTRUTURAS DE AÇO NO BRASIL............................................. 27 
2.4 PRODUÇÃO DO AÇO ...................................................................................... 29 
2.5 AÇOS ESTRUTURAIS ...................................................................................... 30 
2.6 PRODUTOS SIDERÚRGICOS .......................................................................... 32 
2.7 LAMINAÇÃO .................................................................................................... 33 
2.8 PERFIS EM AÇO .............................................................................................. 33 
2.9 SISTEMAS ESTRUTURAIS EM AÇO ............................................................... 35 
2.9.1 Elementos Estruturais .............................................................................. 35 
2.9.2 Sistemas planos e Elementos Lineares .................................................. 36 
2.10 LIGAÇÕES...................................................................................................... 37 
2.10.1 Tipos de Ligações ................................................................................... 37 
2.11 LIGAÇÕES SOLDADAS................................................................................. 38 
2.11.1 Tipos de Soldagem ................................................................................. 39 
2.11.2 ZTA (Zona Termicamente Afetada) ........................................................ 39 
2.12 PROCESSOS DE SOLDAGEM ...................................................................... 40 
2.12.1 Eletrodo Revestido ................................................................................. 40 
2.13 ANÁLISE DE FALHA ...................................................................................... 41 
2.13.1 Análise Metalográfica ............................................................................. 42 
2.13.2 Análise de MEV (Microscópio Eletrônico de Varredura) ...................... 45 
2.13.3 Ensaios Mecânicos ................................................................................. 45 
2.13.4 Ensaio de Tração .................................................................................... 46 
2.13.5 Ensaio de Dureza .................................................................................... 48 
 
 
 
 
2.13.6 Propriedades Mecânicas ........................................................................ 48 
2.13.7 Tensão ..................................................................................................... 49 
2.13.8 Deformação ............................................................................................. 49 
2.13.9 Tensão X Deformação ............................................................................ 49 
2.13.10 Módulo de Elasticidade ........................................................................ 50 
2.13.11 Limites Elásticos e de Proporcionalidade ........................................... 51 
2.13.12 Elasticidade e Plasticidade .................................................................. 54 
2.13.13 Limite de Escoamento .......................................................................... 55 
2.13.14 Limite de Resistência a Tração ............................................................ 55 
2.13.15 Resiliência ............................................................................................. 56 
2.13.16 Coeficiente de Poisson ......................................................................... 56 
2.13.17 Encruamento ......................................................................................... 57 
2.13.18 Alongamento Uniforme ........................................................................ 58 
2.13.19 Alongamento Total ............................................................................... 58 
2.13.20 Estricção ............................................................................................... 58 
2.13.21 Tensão de Ruptura ............................................................................... 58 
2.13.22 Tenacidade ............................................................................................ 58 
2.13.23 Ductilidade ............................................................................................ 59 
2.14 NORMAS DE PROJETO ................................................................................. 60 
3 MATERIAIS E MÉTODOS ....................................................................................... 61 
3.1 ENSAIO DE TRAÇÃO ...................................................................................... 62 
3.2 ENSAIO DE DUREZA ....................................................................................... 65 
3.3 COMPOSIÇÃO DO MATERIAL ........................................................................ 66 
3.4 METALOGRAFIA.............................................................................................. 66 
3.4.1 Preparação para a Metalografia ............................................................... 67 
3.4.2 Análise Metalográfica ............................................................................... 70 
3.5 ANÁLISE DE MEV ............................................................................................ 70 
3.5.1 Preparação das amostras para o MEV .................................................... 71 
3.6 MÉTODOS DE CÁLCULO DA ESTRUTURA METÁLICA ................................ 72 
3.6.1 Projeto de Estrutura Metálica e Normas ................................................. 72 
3.6.2 Estados Limites ........................................................................................ 73 
3.7 AÇÃO DO VENTO EM EDIFICAÇÕES ............................................................. 73 
3.7.1 Velocidade Básica do Vento .................................................................... 73 
3.7.2 Velocidade Característica do Vento ........................................................ 74 
3.7.3 Pressão Dinâmica do Vento ..................................................................... 78 
3.7.4 Coeficiente de Pressão e de Forma Interno ............................................ 78 
3.7.5 Coeficiente de Pressão e de Forma Externo ........................................... 78 
 
 
 
 
3.7.6 Coeficiente de Forma ............................................................................... 80 
3.8 COMBINAÇÕES DE AÇÕES PARA ESTADOS LIMITES ÚLTIMOS ............... 80 
3.9 VERIFICAÇÃO DAS TERÇAS .......................................................................... 81 
3.9.1 Valores Máximos de Relação Comprimento - Espessura ...................... 81 
3.9.2 Resistência a Flexão no Eixo X ................................................................ 82 
3.9.3 Resistência ao Esforço Cortante no Eixo Y ............................................ 83 
3.9.4 Resistência ao Momento Fletor X e ao Esforço Cortante no eixo Y 
Combinados ....................................................................................................... 84 
3.10 DIMENSIONAMENTO DOS BANZOS ............................................................ 84 
3.10.1 Resistência a flexão no Eixo X ............................................................... 84 
3.10.2 Resistência a Flexão no Eixo Y .............................................................. 86 
3.10.3 Resistência ao Esforço Cortante no Eixo X .......................................... 88 
3.10.4 Resistência ao Esforço Cortante no Eixo Y .......................................... 89 
3.10.5 Resistência das Interações de Esforço Cortante e Momento Fletor ... 90 
3.11 DIMENSIONAMENTO DAS TRELIÇAS .......................................................... 92 
3.11.1 Limitação do Índice de Esbeltez ............................................................ 92 
3.11.2 Resistência à Compressão .................................................................... 92 
3.11.3 Resistência à Tração .............................................................................. 94 
3.12 DIMENSIONAMENTO DOS PILARES ............................................................ 94 
3.12.1 Limitação do Índice de Esbeltez ............................................................ 94 
3.12.2 Resistência à Compressão .................................................................... 95 
3.12.3 Flambagem Local das Barras Axialmente Comprimidas ..................... 97 
3.13 DIMENSIONAMENTO DA SOLDA ................................................................. 98 
3.13.1 Cálculo da Resistência da Solda ......................................................... 100 
3.14 DIMENSIONAMENTO DA PLACA BASE ..................................................... 101 
3.14.1 Placas Base Rotuladas ......................................................................... 101 
3.14.2 Chumbadores ........................................................................................103 
3.15 DIMENSIONAMENTO DA FUNDAÇÃO ....................................................... 106 
3.16 DIMENSIONAMENTO DOS CONTRAVENTAMENTOS ............................... 110 
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................... 112 
4.1 ENSAIO DE TRAÇÃO .................................................................................... 112 
4.1.1 Análise do Gráfico Tensão X Deformação ........................................... 112 
4.1.2 Cálculo das Propriedades Mecânicas ................................................... 113 
4.1.3 Limite de Escoamento ............................................................................ 113 
4.1.4 Limite de Resistência a Tração .............................................................. 113 
4.1.5 Alongamento Total ................................................................................. 114 
4.1.6 Estricção ................................................................................................. 114 
 
 
 
 
4.1.7 Tenacidade do Material .......................................................................... 114 
4.1.8 Grau de Deformação do Material ........................................................... 115 
4.2 ENSAIO DE DUREZA ..................................................................................... 116 
4.3 ANÁLISE METALOGRÁFICA ........................................................................ 118 
4.4 ANÁLISE DE MEV .......................................................................................... 126 
4.5 DADOS INICIAIS PARA A VERIFICAÇÃO DE DIMENSIONAMENTO .......... 132 
4.5.1 Cálculo da Velocidade Característica do Vento ................................... 133 
4.5.2 Fator Topográfico S1 .............................................................................. 134 
4.5.3 Fator de Rugosidade S2 ......................................................................... 134 
4.5.4 Fator Estatístico S3 ................................................................................ 134 
4.5.5 Velocidade Característica do Vento ...................................................... 135 
4.5.6 Pressão Dinâmica do Vento ................................................................... 135 
4.5.7 Coeficiente de Pressão Externa do Vento - PAREDES ........................ 135 
4.5.8 Coeficiente de Pressão Externa do Vento - TELHADO ........................ 135 
4.5.9 Coeficiente de Pressão Interno .............................................................. 136 
4.5.10 Esforços Resultantes ........................................................................... 136 
4.6 DIMENSIONAMENTO DAS TELHAS ............................................................. 137 
4.6.1 Telhas de Cobertura ............................................................................... 138 
4.7 REDIMENSIONAMENTO DAS TERÇAS ........................................................ 138 
4.7.1 Terças de Cobertura ............................................................................... 138 
4.7.2 Combinações .......................................................................................... 139 
4.7.3 Esforços Solicitantes ............................................................................. 139 
4.7.4 Verificação das Terças ........................................................................... 142 
4.7.5 Verificação Quanto a Flexão no Eixo X ................................................. 143 
4.7.6 Verificação Quanto a Flexão no Eixo Y ................................................. 144 
4.7.7 Verificação de Cisalhamento em X ........................................................ 145 
4.7.8 Verificação de Cisalhamento em Y ........................................................ 146 
4.7.9 Momentos Máximos ................................................................................ 146 
4.7.10 Verificação para os Estados Limites Últimos ..................................... 147 
4.7.11 Terças de Cobertura ............................................................................. 148 
4.7.12 Combinações ........................................................................................ 149 
4.7.33 Esforços Solicitantes ........................................................................... 149 
4.7.14 Verificação das Terças ......................................................................... 151 
4.7.15 Verificação Quanto a Flexão no Eixo X ............................................... 152 
4.7.16 Verificação Quanto a Flexão no Eixo Y ............................................... 153 
4.7.17 Verificação de Cisalhamento em X ...................................................... 154 
4.7.18 Verificação de Cisalhamento em Y ...................................................... 155 
 
 
 
 
4.7.19 Momentos Máximos .............................................................................. 155 
4.7.20 Verificação para os Estados Limites Últimos ..................................... 156 
4.8 REDIMENSIONAMENTO DOS BANZOS ....................................................... 156 
4.8.1 Carregamentos ....................................................................................... 157 
4.8.2 Possíveis Combinações de Carregamento ........................................... 158 
4.8.3 Esforços Solicitantes ............................................................................. 161 
4.8.4 Verificação da Flexão ............................................................................. 162 
4.8.5 Verificação de Cisalhamento ................................................................. 163 
4.8.6 Momentos Máximos ................................................................................ 163 
4.8.7 Verificação para os Estados Limites Últimos ....................................... 164 
4.9 REDIMENSIONAMENTO DAS DIAGONAIS .................................................. 164 
4.9.1 Verificação da Compressão ................................................................... 165 
4.9.2 Verificação da Tração ............................................................................. 167 
4.9.3 Verificação para os Estados Limites Últimos ....................................... 167 
4.10 REDIMENSIONAMENTO DOS MONTANTES .............................................. 168 
4.10.1 Verificação da Compressão ................................................................. 168 
4.10.2 Verificação da Tração ........................................................................... 170 
4.10.3 Verificação para os Estados Limites Últimos ..................................... 170 
4.11 REDIMENSIONAMENTO DOS PILARES ..................................................... 171 
4.11.1 Verificação da Compressão ................................................................. 171 
4.12 REDIMENSIONAMENTO DA SOLDA .......................................................... 173 
4.13 REDIMENSIONAMENTO DA PLACA BASE ................................................ 174 
4.14 REDIMENSIONAMENTO DOS CHUMBADORES ........................................ 175 
4.15 REDIMENSIONAMENTO DA FUNDAÇÃO ................................................... 175 
4.16 REDIMENSIONAMENTO DO CONTRAVENTAMENTO DE COBERTURA . 177 
4.16.1 Verificação da Tração ........................................................................... 178 
4.17 COMPARAÇÃO DA ESTRUTURA ANTIGA COM A ESTRUTURA NOVA .. 178 
4.18 ORÇAMENTO ............................................................................................... 180 
5 CONCLUSÃO ........................................................................................................ 187 
6 RECOMENDAÇÕES .............................................................................................190 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 191 
ANEXO I ................................................................................................................... 194 
ANEXO II .................................................................................................................. 195 
ANEXO III ................................................................................................................. 196 
ANEXO IV ................................................................................................................ 197 
ANEXO V ................................................................................................................. 198 
ANEXO VI ................................................................................................................ 199 
 
 
 
 
ANEXO VII ............................................................................................................... 200 
 
22 
 
1 INTRODUÇÃO 
As estruturas metálicas são constituídas por elementos metálicos, chapas e 
perfis, ligados entre si por parafusos e/ou por solda. As estruturas metálicas têm como 
vantagem: menor tempo de execução; maior facilidade de transporte e manuseio; 
maior confiabilidade; maior limpeza da obra; maior facilidade de montagem e 
desmontagem; maior facilidade de ampliação. (DREHMER, 2010) 
Centros poliesportivos, assim como edifícios industriais ou galpões, são 
geralmente constituídos por um só pavimento, pelo fato de precisarem do espaço 
central para prática de esportes, no caso dos centros poliesportivos, ou para melhor 
acessibilidade e aproveitamento de todo o espaço, no caso de galpões e são 
construídos com aço. Esses sistemas estruturais são compostos por pórticos 
regularmente espaçados e com cobertura apoiada em sistemas que podem ser 
compostos por tesouras e treliças ou terças e vigas. 
Este trabalho se propõe em realizar a análise de falha e redimensionamento da 
estrutura metálica do centro poliesportivo da cidade de Barão do Monte Alto – MG, 
tendo em vista que a população necessita da estrutura para a realização de atividades 
físicas, que ficaram comprometidas com a falha mecânica do projeto anterior. 
Na Figura 1, observa-se o local onde será reconstruída a estrutura. A área total 
é de 700m². 
 
Figura 1: Local da reconstrução do centro poliesportivo e dimensões para cálculos. 
Fonte: <https://maps.google.com.br/> 
 
 
 
 
23 
 
1.1 JUSTIFICATIVA 
Foi licitado a uma empresa a construção do Centro Poliesportivo, infelizmente 
essa estrutura veio a falhar e a Prefeitura Municipal de Barão de Monte Alto - MG 
entrou com uma ação judicial contra a empresa. Só através da engenharia 
investigativa foi possível saber se a estrutura veio a falhar por erro de projeto, de 
execução ou erro do material selecionado. Assim sendo, a Prefeitura Municipal de 
Barão de Monte Alto – MG solicitou o redimensionamento do projeto e a busca 
investigativa. 
 
1.2 OBJETIVOS 
1.2.1 Objetivo Geral 
Analisar a falha que acarretou na queda do Centro Poliesportivo da cidade de 
Barão de Monte Alto - MG e verificar o redimensionamento da estrutura metálica. 
 
1.2.2 Objetivos Específicos 
 Coletar o material do local da falha estrutural 
 Preparar o material para análise 
 Realizar ensaio de tração 
 Realizar ensaio de dureza 
 Realizar ensaio metalográfico 
 Realizar ensaio MEV 
 Analisar metalograficamente o material 
 Analisar as amostras a partir de MEV 
 Verificar dimensionamento dos elementos estruturais 
 Redimensionar terças 
 Redimensionar banzos 
 Redimensionar montantes 
 Redimensionar diagonais 
24 
 
 Redimensionar pilares 
 Redimensionar ligações soldadas 
 Redimensionar placa base 
 Redimensionar chumbadores 
 Redimensionar fundação 
 Redimensionar contraventamento 
 Comparar estrutura nova com a antiga 
 Realizar orçamento da nova obra 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
25 
 
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
2.1 A UTILIZAÇÃO DO AÇO NAS CONSTRUÇÕES 
Dados levantados revelam que a descoberta do ferro ocorreu em 
aproximadamente 6 mil anos a.C., na Babilônia, Egito e Índia. O ferro era, até então, 
considerado um metal nobre, usado em armas militares e raramente utilizado em 
construções. (BELLEI et al, 2008) 
No final do século XVIII, o ferro fundido foi dando espaço para a utilização do 
ferro forjado, que por sua vez oferecia maior segurança. Em meados do século XIX, a 
utilização passou a ser totalmente do ferro forjado. Entretanto, decorrente ao elevado 
número de acidentes nas primeiras obras, que variavam de pontes ferroviárias até 
treliças de ferro forjado, um estudo mais aprofundado das características dos 
materiais em questão foi inevitável. (PFEIL&PFEIL, 2011) 
O aço já era conhecido, mas, devido ao grande custo de fabricação e por falta 
de um processo industrial adequado, estava indisponível para a utilização em larga 
escala e fora da competitividade com o ferro fundido e forjado. (BELLEI et al, 2008) 
Em 1856, o inglês Henry Bessemer, inventou um forno com capacidade de 
produção do aço em grande escala. Os irmãos Martin criaram um outro tipo de forno, 
em 1864, com maior capacidade. A partir daí o aço, que já era conhecido desde a 
antiguidade, substituiu o ferro fundido e forjado nas construções. (PFEIL&PFEIL, 
2011) 
 
2.2 USO DE ESTRUTURAS EM AÇO NO MUNDO 
2.2.1 A Escola de Chicago (1880-1910) 
Projetado em 1885 por Jenncy, o Home Insurance Building, apresentou o 
primeiro sistema de estruturas de aço moderna do século XIX. O peso das paredes 
foi transferido para um vigamento de ferro e colunas também de ferro, embutidas em 
alvenaria. (BELLEI et al, 2008) 
O Tacoma Building foi o primeiro edifício feito com ligações rebitadas, projetado 
por Holaird e Roche em 1884. O edifício de 14 andares teve como resultado a maior 
rigidez da estrutura, o que feito por parafusos comuns, dificilmente obteria tal 
resultado. (BELLEI et al, 2008) 
Na última década do século XIX, começaram a aparecer em Chicago estruturas 
26 
 
cujas principais características eram: janelas salientes, contraventamentos verticais e 
ligações rebitadas. Entretanto foi em 1885 que ocorreu o maior avanço tecnológico, 
as vigas de ferro forjado substituem as vigas laminadas de aço doce. Essa descoberta 
foi feita pela empresa americana Carnegie Steel Company, antecessora da United 
States Steel. (BELLEI et al, 2008) 
 
2.2.2 França, Bélgica e Suíça (1890-1930) 
França e Bélgica foram os primeiros que desenvolveram as construções em 
aço em edifícios de vários andares, devido estes países terem na época melhores 
condições materiais e intelectuais. (BELLEI, et al, 2008) 
As coberturas em vidro e abóbadas da Galeria D’Oleans, no jardim das Plantas 
em Paris, foram as primeiras estruturas de cobertura em ferro forjado construídas, 
antes mesmo que as pontes em ferro fundido na Inglaterra. (BELLEI et al, 2008) 
Projetados por Victor Horta em Bruxelas, o Tassel em 1892 e a Casa do Povo 
em 1899, foram os principais projetos arquitetônicos feitos com estruturas de aço na 
França até o início da primeira grande guerra. Passada a guerra, o número de 
construções em aço teve uma elevada diminuição devido principalmente a falta de 
criatividade e dinheiro. (BELLEI et al, 2008) 
A transição do rebite para a solda e parafusos de alta resistência foi o grande 
progresso dessa época, este foi o grande progresso dos métodos de execução de 
ligações nas estruturas de aço. (BELLEI et al, 2008) 
 
2.2.3 Alemanha (1910-1930)Na Alemanha as estruturas eram, predominantemente, feitas de concreto 
armado e alvenaria. Após o término da primeira grande guerra as construções em aço 
tiveram o seu progresso e ficaram marcadas pelos aspectos e novos conceitos 
empregados na época. (BELLEI et al, 2008) 
Após o fim da segunda grande guerra e com a construção do edifício de Berlim, 
o qual era totalmente fechado de vidro, a utilização desse tipo de estrutura estava 50 
anos avançado em relação ao restante do mundo para época, e só mais tarde foi 
realizado o mesmo trabalho em outras cidades do mundo. (BELLEI et al, 2008) 
27 
 
 
2.2.4 Os Arranha-céus nos Estados Unidos (1890-1940) 
A construção de edifícios nos Estados Unidos foi o ápice para os grandes 
avanços nas estruturas de aço. Os projetos arquitetônicos exigiram um estudo 
avançado e exploração do aço, de modo que as estruturas fossem desenvolvidas para 
quebrarem recordes de altura, assim ganhando méritos arquitetônicos. O Woolworth 
Tower, que foi construído em 1913, tinha 234 metros de altura e 55 andares, já em 
1929 o Chrysler Building, contava com 320 metros de altura e 75 andares e por fim 
em 1931 o Empire State que por sua vez tinha 380 metros de altura e 102 andares. 
Estes são alguns exemplos das construções em aço da época. (BELLEI et al, 2008) 
 
2.3 O USO DE ESTRUTURAS DE AÇO NO BRASIL 
 Com a criação da CSBM (Companhia Siderúrgica Belgo Mineira), na década 
de 20, o Brasil começou a se desenvolver na indústria siderúrgica. Na mesma época, 
começaram a construção de pequenas usinas de fundição e a produção chegou 
próxima a 40 mil toneladas. No final da década de 20, o Brasil ultrapassou a casa de 
90 mil toneladas. (BELLEI et al, 2008) 
Com a instituição da Comissão Executiva do Plano Siderúrgico, em 1939, foi 
criada no Brasil, em plena Segunda Guerra Mundial a CSN (Companhia Siderúrgica 
Nacional), que entrou em operação no dia 12 de outubro de 1945. A principal 
finalidade da CSN era a produção de chapas, trilhos e perfis nas bitolas americanas. 
(BELLEI et al, 2008) 
 A Usiminas e a Cosipa foram criadas na década de 60, com principal finalidade 
de produção de chapas. Logo após, a Gerdau Açominas fora criada, com a finalidade 
de produção de perfis laminados de abas paralelas. A partir disso, o setor siderúrgico 
avançou consideravelmente, produzindo hoje cerca de 30 milhões de toneladas de 
aço. (BELLEI et al, 2008) 
 Devido à baixa procura no mercado interno, a CSN precisou implantar uma 
nova política de importação de estruturas metálicas para benefício de produção 
própria, levando em conta também a grande produção. Na década de 70, a CSN 
produzia cerca de 192 mil toneladas de aço, e destas, cerca de 120 mil toneladas 
eram importadas. (SANTOS, 1977) 
28 
 
 A favor da difusão do uso do aço nas construções, foi criada em 1953 pela 
CSN, a Fábrica de Estruturas Metálicas (FEM) que foi desativada em 1998. A FEM 
começou com o uso de mão de obra especializada, utilizada também no ciclo completo 
da produção das estruturas metálicas. (BELLEI et al, 2008) 
Na Figura 2 observa-se o Edifício Garagem América em São Paulo, o primeiro 
edifício fabricado pela Fábrica de Estruturas Metálicas no Brasil em 1957, com 16 
andares. 
 
Figura 2: Edifício Garagem América em São Paulo, o primeiro a ser fabricado pela FEM. 
Fonte: BELLEI et al, 2008 
 
Na Figura 3 observa-se o Edifício Avenida Central no Rio de Janeiro, totalmente 
feito de estruturas metálicas. O edifício com data de 1961 conta com 34 andares. 
 
Figura 3: Edifício Avenida Central (34 andares) no Rio de Janeiro em 1961. 
Fonte: BELLEI et al, 2008 
 
29 
 
Já a Figura 4 mostra o Edifício Escritório Central da CSN (Companhia 
Siderúrgica Nacional), o primeiro edifício feito com perfis soldados no Brasil, contando 
com 17 andares e com data de inauguração de 1966. 
 
 
Figura 4: Edifício Escritório Central da CSN (17 andares) em Volta Redonda/RJ em 1966, o 
primeiro em perfis soldados. 
Fonte: BELLEI et al, 2008. 
 
2.4 PRODUÇÃO DO AÇO 
 As duas propriedades mais importante do aço são a ductilidade, que é a 
capacidade do material de sofrer grandes deformações antes de se romper totalmente 
e a alta resistência. “O aço é um dos mais importantes materiais para uso em 
estruturas, seja isolado ou trabalhando em conjunto com outros materiais, como o 
concreto e a madeira.” (BELLEI, 2008) 
 A produção do aço ocorre em indústrias especificas, mais conhecidas como 
siderurgias, onde o minério de ferro passa por vários processos e forma diversos tipos 
de aço. O processamento ocorre no alto forno, onde o minério de ferro, coque e 
calcário, são lançados pela parte superior e o ar é insuflado pela parte inferior. 
Elevadas temperaturas são geradas devido a queima do coque, assim ocorre a 
redução do minério no estado bruto. (PFEIL&PFEIL, 2011) 
 Na Figura 5 pode-se observar o esquema de funcionamento de um alto-forno, 
utilizado para a produção de aço. 
30 
 
 
Figura 5: Esquema de funcionamento do alto-forno. 
Fonte: PFEIL&PFEIL, 2011 
 
O metal em estado líquido é retirado pela parte inferior do alto forno, daí o metal 
ferroso pré-refinado é levado para outro processo de refinamento. Esse material, 
obtido após a primeira etapa de refinamento, é chamado de ferro gusa. 
(PFEIL&PFEIL, 2011) 
O ferro gusa apresenta, quando sólido, baixa resistência e ductilidade, por ter 
grande quantidade de carbono em sua composição. Quando o ferro gusa se torna 
ferro fundido, por intermédio do segundo refinamento, é quando ele passa pelo 
conversor de oxigênio, onde o excesso de carbono é removido por meio de injeção de 
oxigênio na massa de ferro fundido. O ar injetado queima o carbono, formando-se, 
monóxido de carbono e dióxido de carbono, deixando o material com a quantidade 
desejada de carbono. (PFEIL&PFEIL, 2011) 
Após a passagem pelo conversor de oxigênio, o aço, em forma líquida, é tratado 
em tanques no formato de panelas, onde o excesso de oxigênio é retirado com a 
adição de elementos de liga, como por exemplo o alumínio e o silício. (PFEIL&PFEIL, 
2011) 
O último estágio da fabricação do aço é o lingotamento, que consiste na 
solidificação do material em blocos, que se chamam lingotes. Os lingotes são enviados 
para a fase de laminação, onde são dados as formas conhecidas dos aços que são 
utilizados nas construções. (PFEIL&PFEIL, 2011) 
 
2.5 AÇOS ESTRUTURAIS 
 Nas estruturas metálicas, os aços utilizados são divididos em dois grupos, de 
31 
 
acordo com sua composição química: Aços-carbono e Aços de baixa liga. Os aços-
carbono são largamente mais usados, pelo fato de ter o aumento de sua resistência 
devido a presença do ferro puro, que é produzido pelo carbono e manganês presente 
neste tipo de aço. Os elementos encontrados têm a porcentagem máxima de: 2,0% 
de carbono, 1,65% de manganês, 0,60% de silício e 0,35% de cobre. (PFEIL&PFEIL, 
2011) 
 Os aços podem ser divididos em 3 categorias, em função da quantidade de 
carbono encontrado em cada. 
 Baixo carbono C<0,29% 
 Médio carbono 0,30%<C<0,59% 
 Alto carbono 0,6%<C<2,0% 
 
Os aços com baixo teor de carbono (C<0,29%), possuem maior soldabilidade 
e ductilidade quando comparado com as outras categorias, essa característica faz 
com que esse tipo de aço seja visto com bons olhos na indústria. (PFEIL&PFEIL, 
2011) 
 Os aços de baixa liga são os mais utilizados, por haver a possibilidade de 
alcançar alta resistência sem afetar o parâmetro da soldabilidade. 
“Os aços de baixa liga são aços-carbono acrescido de elementos de liga 
(cromo, colúmbio, cobre, manganês, molibdênio, níquel, fosforo, vanádio, zircônio), os 
quais melhoram algumas propriedadesmecânicas” (PFEIL&PFEIL, 2011 p.10). 
De acordo com a ABNT, seguindo os parâmetros da NBR 7007:2011 – Aço-
carbono e microligados para barras e perfis laminados a quente para uso estrutural, a 
classificação dos aços pode ser seguida a partir do seu limite de escoamento. 
 MR250, aços de média resistência (𝑓𝑦 = 250 Mpa; 𝑓𝑢 = 400 Mpa) 
 AR350, aços de alta resistência (𝑓𝑦 = 350 Mpa; 𝑓𝑢 = 450 Mpa) 
 AR-COR415, aço de alta resistência, resistente à corrosão (𝑓𝑦 = 415 
Mpa; 𝑓𝑢 = 520 Mpa) 
Onde: 
 𝑓𝑦 = Limite de escoamento do aço 
 𝑓𝑢 = Limite de ruptura do aço 
 
 Os aços para uso estrutural, especificados por normas brasileiras, constam na 
32 
 
NBR 8800:2008. Os aços para usos frequentes são especificados pela ASTM – 
American Society for Testing and Materials, e também constam nesta norma. 
 
2.6 PRODUTOS SIDERÚRGICOS 
 As barras são os produtos siderúrgicos mais utilizados na construção de 
estruturas metálicas, além de perfis laminados e chapas. Pode haver também perfis 
de chapas dobrados a frio. (PFEIL&PFEIL, 2011) 
 Quando comparadas ao seu comprimento, as barras são elementos onde suas 
dimensões de seção transversal são pequenas. Em casos mais comuns sua seção 
pode ser quadrada, circular, retangular alongada (barra chata). (PFEIL&PFEIL, 2011) 
 As dimensões de comprimento e largura são grandes quando comparados a 
espessura nas chapas, e podem ser divididas em duas categorias: Chapas finas, 
fabricadas a frio ou a quente e chapas grossas, com espessura maior que 5 mm. 
(PFEIL&PFEIL, 2011) 
 Por sua vez, os perfis são os elementos que constituem a maior parte de uma 
estrutura de aço. São elementos com seção transversal diversa e alongados, cuja 
área está distribuída longe do plano de simetria do perfil. (PFEIL&PFEIL, 2011) 
 Na Figura 6 pode-se observar os principais tipos de produtos siderúrgicos 
laminados que são utilizados em estruturas. Sendo (a) Barras, com diversos tipos de 
seções transversais; (b) chapas; (c) perfis estruturais laminados; (d) trilho; (e) tubo de 
seção quadrada; (f) tubo de seção redonda. 
 
Figura 6: Principais tipos de produtos siderúrgicos laminados. 
Fonte: PFEIL&PFEIL, 2011. 
33 
 
2.7 LAMINAÇÃO 
 No processo de laminação, os lingotes são pré-aquecidos para passarem nos 
laminadores, que por sua vez são constituídos por dois rolos que formam uma 
passagem entre si, que é ajustada de acordo com a espessura do lingote, até se obter 
a espessura desejada. A cada vez que passa nos laminadores, o lingote adquire uma 
espessura menor, e o processo é realizado várias vezes. Além de chapas, são 
laminados também perfis metálicos de diferentes formas, dependendo do tipo de 
aplicação futura. (PFEIL&PFEIL, 2011) 
Na Figura 7, observa-se um típico processo de laminação. 
 
Figura 7: Processo de laminação e esquema dos laminadores. 
Fonte: PFEIL&PFEIL, 2011 
 
No esquema mostrado na figura 7, observa-se: 
(a) Seção dos rolos do laminador. Os rolos giram em sentido contrário, 
comprimindo a peça já aquecida e diminuindo sua espessura. 
(b) Esquema de rolos para laminação em perfil I. Com a altura e espessura 
reguláveis, se pode obter perfis I de diferentes espessuras de alma e mesa, 
quando se modifica o espaço entre os rolos. 
(c) Fases progressivas de laminação do perfil I. 
 
2.8 PERFIS EM AÇO 
 Nas estruturas metálicas são utilizados vários tipos de constituintes, dentre eles 
pode-se citar, chumbadores, parafusos, chapas de ligação e perfis. Dentre os citados, 
o último é o mais importante para o projeto, fabricação e montagem da estrutura. 
(SILVA&PANNONI, 2010) 
 Os perfis mais utilizados são aqueles que sua seção transversal se assemelha 
34 
 
com letras, como por exemplo H, U, I e Z. Já os perfis que se assemelham com a letra 
L, são chamados de cantoneiras. (SILVA&PANNONI, 2010) 
 Perfis podem ser obtidos de 3 maneiras diferentes: Da operação de 
conformação a frio; Soldagem de chapas; Diretamente da laminação a quente. Estes 
podem ser denominados, respectivamente, de formados a frio, soldados, e de perfis 
laminados. (SILVA&PANNONI, 2010) 
 “Os perfis estruturais formados a frio (por exemplo, U e U enrijecido), também 
conhecidos como perfis de chapas dobradas, vêm sendo utilizados de forma 
crescente na execução de estruturas metálicas leves, pois podem ser projetados para 
cada aplicação especifica, em quanto os perfis laminados estão limitados a dimensões 
pré-determinadas.” (SILVA&PANNONI, 2010 p. 34, 35) 
 Os perfis laminados nem sempre são encontrados no mercado, nas dimensões 
apropriadas para a necessidade do projeto de elementos estruturais leves e pouco 
solicitados, como diagonais, terças e montantes. Já os perfis formados a frio, que são 
compostos por chapas finas, trazem como vantagem, facilidade de manuseio, de 
fabricação, de transporte, além de possuir leveza. Observa-se que o perfil formado a 
frio também apresenta resistência e ductilidade adequados para o uso em estruturas 
civis. (SILVA&PANNONI, 2010) 
 Na confecção dos perfis laminados, são utilizados aços-carbono do tipo ASTM 
A570 GR 33 e GR 40, com o limite mínimo de escoamento de 230 e 280 Mpa 
respectivamente. A NBR 6355:2012, “Perfis Estruturais de Aço Formados a Frio – 
Padronização” traz um padrão para uma série de perfis formados a frio, com 
espessura da chapa variando entre 1,5mm e 4,75mm, e indica suas características 
geométricas, peso e tolerância de fabricação. O uso deste tipo de perfil vem crescendo 
na construção civil devido sua praticidade de trabalho e transporte, além da leveza. 
(SILVA&PANNONI, 2010) 
 A união de 3 chapas de aço estrutural por meio de soldagem a arco elétrico 
forma os perfis soldados. A fabricação dos mesmos deve seguir a norma ABNT NBR 
5884:2013 (Perfil I Estrutural de Aço Soldado por Arco Elétrico) e são divididos em 
simétricos e monossimétricos. (SILVA&PANNONI, 2010) 
 Os perfis laminados são obtidos pela laminação a quente e tem como vantagem 
maior economia para ser utilizado em estruturas. Deve-se seguir a norma ASTM 
A6/A6M:2012 - Standard specification for general requirements for rolled structural 
steel bars, plates, shapes, and sheet piling e ASTM A572:2015 Grau 50 - Standard 
35 
 
specification for high-strength low-alloy columbium-vanadium structural steel para 
perfis laminados com mesa em abas paralelas. No mercado, esses perfis são 
encontrados com dimensões que variam de 150mm até 610mm de altura e 
comprimento padronizado de 12m. (SILVA&PANNONI, 2010) 
 
2.9 SISTEMAS ESTRUTURAIS EM AÇO 
 2.9.1 Elementos Estruturais 
 As estruturas metálicas têm como principais elementos estruturais: Elementos 
bidimensionais, geralmente constituídos por placas, chapas e elementos lineares 
alongados, que são as hastes e barras. 
 De acordo com PFEIL&PFEIL (2011 p.25) “As hastes formam elementos 
alongados cujas dimensões transversais são pequenas em relação ao comprimento”. 
Pode-se classificá-las de acordo com o tipo de esforço predominante: 
 
 Colunas: compressão axial; 
 Vigas: cargas transversais produzindo momentos fletores e esforços 
cortantes; 
 Tirantes: Tração axial; 
 Eixos: torção. 
 
Para se distribuir uniformemente as tensões internas de tração e compressão, 
quando solicitadas, na seção transversal, é aplicado o segundo eixo da haste, ou seja, 
a segunda linha formada pelos centros de gravidade das seções. (PFEIL&PFEIL, 
2011) 
Momentos fletores e esforços cortantes são predominantes quando a haste 
está sujeita a cargas transversais, na qual se dá origem as tensões normais de flexão 
e tensões de cisalhamento. (PFEIL&PFEIL, 2011) 
 
Na Figura 8, observa-se os tipos de hastes, em função da sua predominantesolicitação: (a) tirante; (b) coluna; (c) viga; (d) eixo de torção. 
36 
 
 
Figura 8: Tipos de hastes em função da sua predominante solicitação. 
Fonte: PFEIL&PFEIL, 2011. 
 
2.9.2 Sistemas Planos de Elementos Lineares 
A combinação dos principais elementos lineares (tirantes, colunas e vigas), 
formam os sistemas de elementos lineares. Os mesmos constituem as estruturas 
portantes das construções civis. Treliças, grelhas e pórticos também estão entre os 
elementos planos lineares. (PFEIL&PFEIL, 2011) 
Formada por dois feixes de vigas, ortogonais ou obliquas, a grelha plana 
suporta conjuntamente cargas atuando na direção perpendicular ao seu plano. As 
grelhas são muito usadas em superestruturas de pontes e em pisos de edifícios. 
(PFEIL&PFEIL, 2011) 
Também denominados quadros, os pórticos são sistemas formados com hastes 
retilíneas ou curvilíneas com ligações rígidas entre si. (PFEIL&PFEIL, 2011) 
Constituídas por segmentos de hastes e unidos em pontos denominados nós, 
as treliças formam uma configuração geométrica estável, com base triangular. 
(PFEIL&PFEIL, 2011) 
Na Figura 9, observa-se alguns tipos de sistemas planos. A treliça é um tipo de 
sistema utilizado em galpões. A grelha plana é constituída por feixes de vigas, que 
podem ser oblíquos ou ortogonais e são geralmente utilizadas em pisos de edifícios e 
pontes. O pórtico plano é um sistema formado por agregação de hastes retilíneas e 
curvilíneas, com ligações rígidas entre si, utilizado em sistemas estruturais de 
edificações. 
 
37 
 
 
Figura 9: Alguns tipos de sistemas planos. 
Fonte: PFEIL&PFEIL, 2011. 
 
2.10 LIGAÇÕES 
A estruturas compostas por peças pré-fabricadas conectadas, dependem, 
sobretudo, do comportamento das ligações. As ligações de vigas e pilares, podem ser 
classificadas com relação a sua capacidade de impedir a rotação relativa entre elas. 
(PFEIL&PFEIL, 2011) 
As ligações podem ser rígidas e rotuladas. As ligações rígidas são aquelas que 
impedem completamente a rotação entre viga e pilar, em pórticos de edificações é o 
tipo de ligação utilizada, já as ligações rotuladas, ao contrário da anterior, permite 
totalmente a rotação relativa não transmitindo o momento, em treliças é o tipo de 
ligação usada. (PFEIL&PFEIL, 2011) 
As ligações semirrígidas possuem comportamento intermediário, podendo 
transferir parte do momento que chega até ela. (PFEIL&PFEIL, 2011) 
O esquema estrutural a ser utilizado na análise do projeto depende das 
ligações. Se as ligações forem rígidas, é representada por pórticos, se for ligação 
rotulada, é necessário a adição de um elemento de contraventamento, garantindo a 
estabilidade lateral da estrutura. (PFEIL&PFEIL, 2011) 
 
2.10.1 Tipos de Ligações 
Os tipos de ligações utilizadas nas estruturas metálicas influenciam um pouco 
no custo final do projeto. Devem-se ser projetadas levando em conta as limitações 
construtivas, a facilidade de fabricação e montagem e o comportamento da conexão 
principalmente (rígida ou articulada, por contato ou por atrito). As mesmas podem ser 
38 
 
executadas por meio de soldas ou aparafusamento. (PFEIL&PFEIL, 2011) 
 
2.11 LIGAÇÕES SOLDADAS 
 Segundo a ABNT NBR 5884:2013, a soldagem é um processo de união de 
materiais usados para se obter a coalescência localizada de metais e não metais, 
produzida por aquecimento até uma temperatura adequada, com a utilização ou não 
de pressão e/ou material de adição. 
As ligações soldadas são bem comuns na área de estruturas metálicas por 
apresentar algumas vantagens. Se obtêm ligações mais rígidas, melhora no 
acabamento final, diminuição no custo de fabricação e facilidade na aplicação e 
manutenção de pintura, além da facilidade na limpeza. Como em todo tipo de ligação, 
a soldagem também apresenta desvantagens, como por exemplo a dificuldade de se 
desmontar e dificuldade no controle da qualidade do processo de soldagem no 
canteiro de obras. (SILVA&PANNONI, 2010) 
A fusão das partes na soldagem ocorre pelo processo de adição de calor, que 
pode ser por fonte elétrica, química, ótica ou mecânica. Por ser mais versátil e mais 
disponível no mercado, a solda elétrica é mais largamente utilizada. (PFEIL&PFEIL, 
2011) 
Na soldagem, os processos são classificados de acordo com o tipo de proteção 
utilizada para evitar contaminações atmosféricas nas poças de fusão. Os tipos mais 
comuns são: 
 Eletrodo revestido: Eletrodo e revestimento são consumidos juntos, 
sendo parte do revestimento transformado em gás inerte e outra parte 
em escoria, afim de proteger a solda. 
 Arco Elétrico com proteção gasosa: A proteção neste tipo de solda é feita 
por um fluxo de gás que é lançado diretamente na poça de fusão pela 
tocha de soldagem, o eletrodo é um arame sem revestimento algum. 
 Arco elétrico com fluxo no núcleo: O revestimento neste tipo de solda é 
interno, o eletrodo é um arame fino e em seu núcleo contém o material 
que protege a poça de fusão. 
 Arco submerso: Neste tipo de solda o eletrodo também é um arame nu, 
porém a poça de fusão ocorre abaixo de uma camada de proteção 
granulada, que é jogada por cima do local da solda, este tipo de 
39 
 
soldagem é totalmente mecânico. 
“A solda de eletrodo manual revestido é a mais utilizada na indústria. O 
processo apresenta enorme versatilidade, podendo ser empregado tanto em 
instalações industriais pesadas quanto em pequenos trabalhos de campo” 
(PFEIL&PFEIL, 2011 p.90). 
 
2.11.1 Tipos de Soldagem 
Os tipos de solda comumente usados em estruturas metálicas são: soldagem 
de entalhe ou penetração e a soldagem de filete. Na soldagem de entalhe ou 
penetração, o metal de solda é depositado entre os elementos a serem unidos, é 
esteticamente mais agradável, por conta da solda reconstituir a seção da peça 
conectada, além de diminuir os efeitos de esforços alternados que podem acarretar 
falha por fadiga, porém apresenta custo elevado na hora da preparação da superfície 
e pequena tolerância a ajustes. Já a solda de filete, que é a mais empregada, é mais 
simples, por isso é utilizada em grande escala. (DIAS, 2011) 
São utilizados 4 tipos de posição de solda, são eles: Horizontal, plana, sobre 
cabeça e vertical. Para melhores resultados é utilizada a posição plana, por isso é 
utilizada com maior frequência em trabalhos de oficina, onde as peças são 
posicionadas de forma mais adequada. No campo, as posições mais utilizadas são a 
horizontal e vertical. Sobre cabeça é o tipo de solda mais difícil de ser executada, 
sendo utilizada apenas em casos especiais. (PFEIL&PFEIL, 2011) 
 
2.11.2 ZTA (Zona Termicamente Afetada) 
Segundo FORTES 2004, nenhum tipo de solda por fusão é realizada sem 
acumular um gradiente térmico no metal de base. A difusão do calor gerado para o 
metal base é fortemente influenciado pela velocidade de soldagem e pela poça de 
fusão. O gradiente térmico diminui com alta potência e alta velocidade na soldagem. 
Em um ponto, logo além da borda da poça de fusão, a temperatura aumenta muito 
rápido e o nível da poça de fusão diminui rapidamente produzindo um efeito parecido 
com a têmpera. Em aços essa região torna-se austenistica durante o aquecimento e 
geralmente contém um constituinte duro chamado martensita quando se resfria. Essa 
região desenvolve grãos grosseiros e grãos grosseiros não são bons para as 
propriedades mecânicas do aço. A ZTA é a região que sofre alteração com o processo 
de soldagem. 
40 
 
Na ZTA pode haver alguns defeitos listados abaixo: 
 Fissuração por hidrogênio (fissuração sob cordão) 
 De coesão lamelar 
 Trincas de reaquecimento 
 Fissuração por corrosão sob tensão 
 Trincas de liquação ou microfissuração