Aula 01 - Propriedades Físicas e Mecânicas do Aço

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Curso: Engenharia Civil
Disciplina: Estruturas de Aço e Madeira
Professora: Raquel Barros Leal
AULA 1- PROPRIEDADES FÍSICAS E 
MECANICAS DO AÇO
1.0 DEFINIÇÕES
• 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 é a liga de ferro-carbono em que o teor de carbono varia
desde 0,008% até 2,11%.
• O carbono aumenta a resistência do aço, porém o torna mais frágil,
ou seja, aços com baixo teor de carbono tem menor resistência a
tração, entretanto são mais dúcteis.
• A resistência à corrosão é também importante só sendo, entretanto,
alcançada com pequenas adições de cobre.
• Os aços podem ser classificados em diversas categorias, cada qual
com suas características, por exemplo, aços para estrutura devem
ter boa ductilidade, homogeneidade, soldabilidade.
OBSERVAÇÃO: Todos os aços utilizados em estruturas tem
resistência a ruptura por tração e compressão iguais, variando
entre amplos limites desde 300MPA até valores acima de
1200MPA.
Influência da composição química 
• Carbono - principal elemento para aumento da resistência;
• Cobre – aumenta de forma muito eficaz a resistência à corrosão
atmosférica e a resistência à fadiga;
• Cromo – aumenta a resistência mecânica à abrasão e à corrosão
atmosférica reduzindo, porém, a soldabilidade;
• Enxofre – entra no processo de obtenção, mas pode causar retração à
quente ou mesmo ruptura frágil, assim como, teores elevados podem
causar porosidade e fissuração na soldagem;
• Silício – aumenta a resistência e a tenacidade e reduz a
soldabilidade;
• Titânio – aumenta o limite de resistência, a resistência à abrasão e a
resistência à deformação lenta, sendo muito importante a fim de se
evitar o envelhecimento;
• Vanádio – aumenta o limite da resistência, a resistência à abrasão e
a resistência à deformação lenta sem prejudicar a soldabilidade e a
tenacidade.
2.0 INTRODUÇÃO E HISTÓRICO
• Os metais ferrosos são utilizados desde a antiguidade, onde o
primeiro a ser utilizado em construções foi o ferro fundido, entre
os anos de 1779 e 1820.
Primeira ponte em ferro
fundido, Coalbrookdale,
sobre o rio Severn,
Inglaterra. Vão de 30
metros, construído em
1779.
• No Brasil: 1857 – Ponte sobre o Rio Paraíba do Sul – Rio de Janeiro.
Ferro fundido. Vão de 30 m vencidos por arcos atirantados, sendo
os arcos constituídos de peças de ferro fundido montadas por
encaixe e o tirante em ferro forjado.
• Duas grandes obras com a utilização do aço podem ser vistas abaixo:
Viaduc de Garabit, Sul da França, com 165 m de vão, construída 
por G. Eiffel em 1884.
Fonte: Acervo digital (https://fr.wikipedia.org/wiki/Viaduc_de_Garabit)
Ponte Firth of Forth, na Escócia, construída em 1890, foi 
recorde mundial de vão livre: 521 m.
Fonte: Acervo digital (http://megaengenharia.blogspot.com.br/)
2.1 VANTAGENS DO AÇO
1. Alta resistência do material nos diversos estados de solicitação –
tração, compressão, flexão, etc., o que permite aos elementos
estruturais suportarem grandes esforços apesar das dimensões
relativamente pequenas dos perfis que os compõem.
2. Apesar da alta massa específica do aço, na ordem de 7850 kg/m3,
as estruturas metálicas são mais leves do que, por exemplo, as
estruturas de concreto armado, proporcionado, assim, fundações
menos onerosas.
3. As propriedades dos materiais oferecem grande margem de
segurança, em vista do seu processo de fabricação que proporciona
material único e homogêneo, com limites de escoamento, ruptura e
módulo de elasticidade bem definidos.
4. As dimensões dos elementos estruturais oferecem grande
margem de segurança, pois por terem sido fabricados em oficinas,
são seriados e sua montagem é mecanizada, permitindo prazos
mais curtos de execução de obras.
5. Apresenta possibilidade de desmontagem da estrutura e seu
posterior reaproveitamento em outro local.
6. Apresenta possibilidade de substituição de perfis componentes da
estrutura com facilidade, o que permite a realização de eventuais
reforços de ordem estrutural, caso se necessite estruturas com maior
capacidade de suporte de cargas.
7. Apresenta possibilidade de maior reaproveitamento de material
em estoque, ou mesmo, sobras de obra, permitindo emendas
devidamente dimensionadas, que diminuem as perdas de materiais,
em geral corrente em obras.
2.2 DESVANTAGENS DO AÇO
1. Limitação de fabricação em função do transporte até o local da
montagem final, assim como custo desse mesmo transporte, em
geral bastante oneroso.
2. Necessidade de tratamento superficial das peças estruturais
contra oxidação devido ao contato com o ar, sendo que esse ponto
tem sido minorado através da utilização de perfis de alta resistência à
corrosão atmosférica, cuja capacidade está na ordem de quatro vezes
superior aos perfis de aço carbono convencionais.
3. Necessidade de mão-de-obra e equipamentos especializados
para a fabricação e montagem.
3.0 PROCESSO DE FABRICAÇÃO
1- ALTO FORNO
2- CONVERSOR DE 
OXIGÊNIO
3- TRATAMENTO DE 
AÇO NA PANELA
4- LINGOTEAMENTO
5- LINGOTEAMENTO 
CONTÍNUO
6- LAMINAÇÃO 
7- TRATAMENTO 
TÉRMICO
• 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.
• Em ambos os processos, o objetivo é o
refinamento do ferro fundido, ao qual
são adicionados elementos de liga para
produzir o aço especificado.
4.0 TIPOS DE AÇO ESTRUTURAIS
• Os aços utilizados em estruturas podem ser classificados em dois
tipos: aços-carbono e aços de baixa liga.
.
Aços-carbono
• Os aços-carbono são os tipos mais usados, nos quais o aumento de
resistência em relação ao ferro puro é produzido pelo carbono e,
em menor escala, pelo manganês.
• Em função do teor de carbono, distinguem-se três categorias:
OBSERVAÇÃO: 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, utiliza-se um baixo teor de carbono
para que não se tenha preocupações especiais com a soldagem.
Baixo Carbono C < 0,29%
Médio Carbono 0,30% < C < 0,59%
Alto Carbono 0,60% < C < 2,0%
• Ainda sobre o aço-carbono, existem vários tipos dos mesmos,
todos seguindo padrões da ABNT, da ASTM (American Society for
Testing and Materials) e das normas europeias EN. Alguns deles
podem ser vistos na tabela abaixo:
Tabela 1: Propriedades Mecânicas de Aços-Carbono
A tabela abaixo lista as especificações gerais para os aços estruturais
do grupo A, englobando aplicações de construção civil, construção
naval e ferroviária.
• Os aços de baixa liga são aços-carbono acrescidos de elementos
de liga (cromo, cobre, manganês, níquel, fósforo), os quais
melhoram algumas propriedades mecânicas.
• Alguns elementos de liga aumentam a resistência do aço através da
modificação da microestrutura para grãos finos, dessa forma,
pode-se obter uma resistência elevada com um baixo teor de
carbono, permitindo soldagens sem preocupações especiais.
Aços de Baixa Liga
• No Brasil, por exemplo, utiliza-se muito os aços de baixa liga de
média e alta resistência mecânica, soldáveis e com características
de elevada resistência a partir da adição de um certo teor de
cobre.
Tabela 2: Propriedades mecânicas dos aços de baixa liga
5.0 AÇOS COM TRATAMENTO TÉRMICO E 
PADRONIZAÇÃO ABNT
• Osaços-carbono e o aço de baixa liga podem ter sua resistência
aumentadas pelo tratamento térmico, entretanto, a soldagem dos
aços termicamente tratados é mais difícil, tornando o seu emprego
pouco usual em estruturas correntes.
• Indica-se o tratamento térmico em parafusos de alta resistência que
serão utilizados como conectores com aço de médio carbono e com
aços de baixa liga para cabos de protensão.
Os tensionadores “multi-jackbolt”
(MJTs) Superbolt tipo parafuso são
um inovador produto de
aparafusamento que elimina o uso de
ferramentas caras e perigosas.
• Segundo a especificação NBR 7007 - Aços para perfis laminados
para uso estrutural da ABNT, os aços podem ser enquadrados nas
seguintes categorias a partir do seu limite de escoamento:
MR250, aço de média resistência;
AR350, aço de alta resistência;
AR-COR415 , aço de alta resistência, resistente à corrosão.
• O aço MR250 corresponde ao aço ASTM A36.
A tabela a seguir lista as principais especificações NBR de aços
estruturais para aplicação na construção civil;
6.0 ENSAIO DE TRAÇÃO E CISALHAMENTO 
SIMPLES
6.1 – Tensões e Deformações
• Nas aplicações estruturais, as grandezas utilizadas com mais
frequência são as tensões (σ) e as deformações (ε).
• Para o caso desta haste submetida a uma tração simples F, temos 
que tensão normal será: 
σ=
𝐹
𝐴
• A deformação será: ε = 
Δ𝑙
𝑙𝑜
• No regime elástico, as tensões são proporcionais as deformações, e
essa proporcionalidade é denominada de modulo de elasticidade
(E).
σ = E x ε
O E é praticamente igual para todos os 
tipos de aço.
200000 < E < 210000 MPA
• Ainda sobre a tensão x deformação, tem-se: 
• Diagrama convencional de σ x ε. Onde através dele pode-se fazer
as análises da trabalhabilidade de diversos tipos de aço, analisando
suas resistências e deformações.
Diagrama tensão x deformação de alguns aços.
• A inclinação do trecho retilíneo do diagrama é o modulo de
elasticidade E.
• Quando se ultrapassa o regime elástico, o material entra num
limite de escoamento, caracterizado pelo aumento da deformação
sob tensão constante.
• Acréscimo de tensão e deformação após o escoamento é definido
pelo encruamento.
Diagrama tensão x deformação com patamar de escoamento
7.0 PROPRIEDADES DO AÇO
Constantes Físicas do Aço
• A ductilidade é a capacidade do material se deformar sob a ação de
cargas.
• Os aços que são extremamente dúcteis podem ser esticados,
dobrados e deformados sem rachar e sem perder a sua força, e esta
é uma qualidade desejável, especialmente nos aços estruturais.
• Para medir a ductilidade de um aço, normalmente emprega uma
medida de resistência à tração do material. A resistência à tração
examina quão longe o material pode ser esticado sem apresentar
rupturas e fissuras.
DUCTILIDADE
• A fragilidade é o oposto da ductilidade. Os aços podem se tornar
frágeis pela ação de diversos agentes, um deles é a baixas
temperaturas ambientes.
• É de suma importância estudar as condições em que o aço se torna
frágil, principalmente em construções metálicas, uma vez que os
materiais frágeis se rompem bruscamente, sem aviso prévio.
• Deve-se fazer a analise do comportamento frágil sob dois aspectos:
a iniciação da fratura e a sua propagação.
FRAGILIDADE
• A iniciação ocorre quando uma tensão ou deformação elevada se
desenvolve num ponto em que o material perdeu ductilidade e
uma vez iniciada a fratura, ela se propaga pelo material, mesmo
em tensões moderadas.
Fratura de viga metálica obriga ao encerramento da Ponte 
de Turnpike
Notícia: 24/01/2017
DUREZA
• A dureza é a resistência ao risco ou abrasão.
• Na prática, mede-se dureza pela resistência que a superfície do
material oferece a penetração de uma peça de maior dureza.
RESILIÊNCIA E TENACIDADE
• Essas duas propriedades se relacionam com a capacidade do metal
de absorver energia mecânica. Podem ser definidas com o auxilio
dos diagramas de tensão x deformação.
• A resiliência é a capacidade do aço de absorver energia mecânica
em regime elástico por unidade de volume e readquirir a forma
original quando retirada a carga que provocou a deformação.
• Tenacidade é a capacidade de o material absorver energia devido à
deformação até a ruptura.
• Quando as peças metálicas trabalham sob efeito de esforços
repetidos em grande numero, pode haver uma ruptura, a este efeito
denomina-se fadiga do material.
• A resistência à fadiga das peças é fortemente diminuída nos pontos
de concentração de tensões, provocadas, por exemplo, por variações
bruscas na forma da seção.
RESILIÊNCIA E TENACIDADE
FADIGA
• As temperaturas elevadas modificam as propriedades físicas dos
aços. Temperaturas superiores a 100°C tendem a eliminar o limite de
escoamento bem definido, tornando o diagrama tensão x
deformação arredondado.
• As altas temperaturas reduzem as resistências a escoamento e a
ruptura, bem como o modulo de elasticidade.
• As temperaturas acima de 250°C a 300°C provocam fluência nos aços.
EFEITO DA TEMPERATURA ELEVADA
Quanto maior a 
temperatura, menor a 
resistência e o modulo de 
elasticidade do aço.
• Corrosão é o processo de reação do aço com alguns elementos
presentes no ambiente em que ele se encontra exposto.
• A corrosão promove a perda da seção das peças de aço, podendo
ser uma das principais causas de colapso das estruturas.
• A proteção contra a corrosão dos aços expostos ao ar é usualmente
feita por pintura ou galvanização.
• Algumas providencias devem ser tomadas para aumentar a vida útil
da estrutura de aço exposta ao ar, tais como, evitar pontos de
umidade e sujeita, promover a drenagem e aeração, evitar pontos
inacessíveis a manutenção e pintura, etc.
CORROSÃO
CORROSÃO
8.0 PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS
• Os aços são produzidos para utilização estrutural sob diversas formas: 
chapas, barras, perfis laminados, fios trefilados, cordoalhas, cabos.
• Barras: São produtos laminados, nos quais duas dimensões (da seção
transversal) são pequenas em relação ao comprimento. Podem ser de
seção circular, quadrada ou retangular alongada. (Essas ultimas
geralmente chamadas de barras chatas).
BARRAS
BARRAS
PERFIS LAMINADOS
• Os perfis laminados a quente são produzidos através da laminação 
de blocos de aço, em sistema de laminação contínua. Podem ser 
produzidos em formas de H, I, C, L.
• A designação de perfis metálicos laminados segue determinada
ordem:
Código, altura (mm.), peso (Kg/m)
• Como exemplo de códigos teremos:
L – Cantoneiras de abas iguais ou desiguais
I – Perfil de seção transversal na forma da letra ‘ I ‘
H – Perfil de seção transversal na forma da letra ‘H’
U – Perfil de seção transversal na forma da letra ‘U’
T – Perfil de seção transversal na forma da letra ‘Tê’ 
• Como exemplo de designação de perfis teremos:
L 50 x 2,46 – Perfil L de abas iguais de 50mm e peso de 2,46 kg/ml
L 100 x 75 x 10,71 – Perfil L de abas desiguais de 100mm de altura
por 75mm de largura e peso de 10,71 kg/ml
I 200 x 27 – Perfil ‘ I ‘ com altura de 200mm e peso de 27 Kg/ml
H 200 x 27 – Perfil ‘ H ‘ com altura de 200mm e peso de 27 Kg/ml
U 200 x 27 – Perfil ‘ U ‘ com altura de 200mm com peso de 27 Kg/ml
• Os Perfis em formato de I e H são muito utilizados para pilares,
vigas, marquises e em alguns casos para tesouras.
• Os perfis em formato de cantoneira "L" são utilizados de várias
maneiras e desempenhando funções diferentes, porém são mais
utilizados para fazer ligações entre elementos principais (pilar X viga
/ viga X viga / viga X tesouras) etc.
• Há também os perfis laminados "U ultimamente tem sido utilizados
em algunscasos como terças em coberturas ou mezaninos.
• Os perfis são formados pela associação de chapas ou perfis
laminados simples, sendo ligados, em geral, por soldas.
• A norma brasileira NBR 5884:1980 padronizou três séries de perfis
soldados.
PERFIS SOLDADOS E PERFIS COMPOSTOS
Perfis CS (colunas soldadas)
Perfis VS (Vigas soldadas)
Perfis CVS (colunas e vigas soldadas)
Os perfis b, c e d ao lado 
são perfis compostos, são 
mais caros e seu 
emprego é para atender 
as conveniências de 
cálculos em colunas ou 
estacas onde se deseja 
momento de inércia 
elevado nas duas 
principais direções.
• Pode ser utilizado em locais de pequeno, médio e grande porte com
praticidade e rapidez na instalação, que mesmo sendo rápida e
simples, deve ser realizada apenas por profissionais preparados.
• É um produto altamente resistente a corrosões e apresenta
excelente durabilidade.
• É criado a partir de chapas de aço retas, podendo ter diferentes
tamanhos e espessuras, visando atender exatamente ao que você
precisa. O objetivo da aplicação da dobra no perfil de chapa dobrada
é justamente proporcionar formatos específicos para a variação de
projetos.
PERFIS DE CHAPA DOBRADA
PERFIS DE CHAPA DOBRADA
• A designação de perfis metálicos de chapa dobrada segue
determinada ordem:
Tipo, Altura, Aba, Dobra, Espessura (todas as medidas em mm)
L – Cantoneiras de abas iguais ou desiguais
U – Perfil de seção transversal na forma da letra ‘ U ‘ enrijecidos ou
não
• Como exemplo de designação de perfis teremos:
U 150 x 60 x 20 x 3 – Perfil U enrijecido com altura de 150mm, aba de
60mm, dobra de 20mm e espessura de 3mm
• Chapas: São produtos laminados, nos quais uma dimensão (a
espessura) é muito menor do que as outras duas (largura e
comprimento).
• As chapas se dividem em duas categorias, chapas grossas e chapas
finas, conforme tabela abaixo;
CHAPAS
• Fios: Os fios são obtidos por trefilação (fabricação por
estiramento). Os fios de aço duro são empregados em molas,
cabos de protensão de estruturas, etc.
• Cordoalhas: São formados por três ou sete fios arrumados em
forma de hélice. O modulo de elasticidade da cordoalha é tão
elevado quanto o de uma barra maciça de aço.
E = 195.000 MPa (cordoalha)
FIOS, CORDOALHAS, CABOS
• Cabos de aço: São formados por fios trefilados finos, agrupados
em arranjos helicoidais variáveis. São muito flexíveis, o que
permite seu emprego em moitões para multiplicação de forças,
entretanto, tem modulo de elasticidade baixo.