Aula 01 - Propriedades Físicas e Mecânicas do Aço

Prévia do material em texto

Curso: Engenharia Civil 
Disciplina: CONSTRUÇÕES ESPECIAIS 
Professora: Raquel Barros Leal 
AULA 1- PROPRIEDADES FÍSICAS E 
MECÂNICAS DO AÇO 
1 
2 
INTRODUÇÃO - CONCEITOS 
• 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%. 
 
 
 
 
 Minério de Ferro - Fonte: Infoescola - 2010. Mina de ferro Carajás, no Pará. 
Fonte: Redação Noticias de Parauapebas - 2015 
• 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. 
 
 
 
 
3 
 
 
 
 
• Os aços podem ser classificados em diversas categorias, cada qual com 
suas características, por exemplo, aços para estrutura devem ter boa 
ductilidade, homogeneidade, soldabilidade. 
INTRODUÇÃO - CONCEITOS 
• 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; 
4 
INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA 
• 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. 
Fonte: laboratório do 
Departamento de 
Engenharia de Estruturas e 
Fundações - USP 5 
HISTÓRICO 
• 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. 
6 
Ponte da Parahyba – Fonte: site Prefeitura Paraíba do Sul 
HISTÓRICO 
7 
HISTÓRICO 
• 1856 o inglês Henry Bessemer criou um forno que tornou possível a 
fabricação do aço; 
• 1860 o aço começou a ser produzido em larga escala; 
• 1880 surgiram os primeiros laminadores; 
• 1885 foi terminada a construção em Chicago, pelo engenheiro Willian 
le Baron Jenney, do Home Insurance Building, um edifício com dez 
pavimentos e o primeiro do mundo com estrutura de aço. 
8 
Home Insurance Building – Primeiro edifício construído em aço estrutural 
Fonte: www.thefamilyhouse.org (2018) 
HISTÓRICO 
• 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) 
9 
HISTÓRICO 
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/) 
10 
HISTÓRICO 
 
1. Alta resistência do material nos diversos estados de solicitação, permite 
que elementos estruturais suportem 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. O Processo de fabricação que proporciona material único e homogêneo, 
com limites de escoamento, ruptura e módulo de elasticidade bem 
definidos. 
 
 
 
11 
VANTAGENS DO AÇO 
 
4. As dimensões dos elementos estruturais oferecem prazos mais curtos de 
execução de obras pois, por terem sido fabricados em oficinas, a montagem 
é mecanizada. 
 
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. 
 
 
 
12 
VANTAGENS DO AÇO 
 
 
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. 
13 
VANTAGENS 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; 
 
14 
DESVANTAGENS DO AÇO 
15 
 
 
3. Necessidade de mão obra e equipamentos especializados para a 
fabricação e montagem. 
 
 
DESVANTAGENS DO AÇO 
Solda em tesoura metálica 
Mini Torquímetro de estalo - 1/4" 3426C 
1- ALTO FORNO 
2- CONVERSOR DE 
OXIGÊNIO 
3- TRATAMENTO DE 
AÇO NA PANELA 
4- LINGOTEAMENTO 
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. 
16 
FABRICAÇÃO DO AÇO 
17 
• 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. 
 
 
18 
TIPOS DE AÇO ESTRUTURAIS 
 
• 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% 
19 
TIPOS DE AÇO ESTRUTURAIS 
 
• 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 20 
TIPOS DE AÇO ESTRUTURAIS 
• 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; 
• O aço MR250 corresponde ao aço ASTM A36. 
21 
TIPOS DE AÇO ESTRUTURAIS 
• 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-seobter uma resistência elevada com um baixo teor de carbono, 
permitindo soldagens sem preocupações especiais. 
 
 
 
 
 
 
Aços de Baixa Liga 
22 
TIPOS DE AÇO ESTRUTURAIS 
• 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 
23 
Aços de Baixa Liga 
TIPOS DE AÇO ESTRUTURAIS 
 
• Os aços-carbono e o aço de baixa liga podem ter sua resistência 
aumentadas pelo tratamento térmico. 
• 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. 
24 
AÇOS COM TRATAMENTO TÉRMICO 
Os tensionadores “multi-jackbolt” 
(MJTs) Superbolt tipo parafuso são 
um inovador produto de 
aparafusamento que elimina o uso de 
ferramentas caras e perigosas. 
25 
AÇOS COM TRATAMENTO TÉRMICO 
O parafuso sextavado estrutural ASTM A325 é um fixador 
empregado em projetos que exigem grande resistência de cargas, 
como construções e maquinário pesado. 
26 
AÇOS COM TRATAMENTO TÉRMICO 
 ENSAIO DE TRAÇÃO E CISALHAMENTO SIMPLES 
 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
 
 
 
27 
• A deformação será: ε = 
Δ𝑙
𝑙𝑜
 
 
• No regime elástico, as tensões são proporcionais as deformações, e 
essa proporcionalidade é denominada de módulo de elasticidade 
(E). 
 
σ = E x ε 
O E é praticamente igual para todos os 
tipos de aço. 
200000 < E < 210000 MPA 
28 
 ENSAIO DE TRAÇÃO E CISALHAMENTO SIMPLES 
29 
 
• 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. 
30 
 ENSAIO DE TRAÇÃO E CISALHAMENTO SIMPLES 
31 
Diagrama tensão x deformação com patamar de escoamento 
32 
 ENSAIO DE TRAÇÃO E CISALHAMENTO SIMPLES 
PROPRIEDADES DO AÇO 
 
 
 
Constantes Físicas do Aço 
33 
 
• 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. 
DUCTILIDADE 
34 
PROPRIEDADES DO AÇO 
 
• 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. 
FRAGILIDADE 
35 
PROPRIEDADES DO AÇO 
 
Fratura de viga metálica obriga ao encerramento da Ponte de 
Turnpike 
Fonte: www.engenhariacivil.com - Notícia: 24/01/2017 36 
PROPRIEDADES DO AÇO 
 
37 
PROPRIEDADES DO AÇO 
 
Localização da fratura da viga na Ponte de Turnpike 
Fonte: www.engenhariacivil.com - 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. 
38 
PROPRIEDADES DO AÇO 
 
• Tenacidade é a capacidade de o material absorver energia devido à 
deformação até a ruptura. 
 
 
 
RESILIÊNCIA E TENACIDADE 
39 
PROPRIEDADES DO AÇO 
 
• 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. 
40 
PROPRIEDADES DO AÇO 
 
41 
 
 
• 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. 
 
FADIGA 
PROPRIEDADES DO AÇO 
 
42 
PROPRIEDADES DO AÇO 
 
FADIGA 
• As temperaturas elevadas modificam as propriedades físicas dos 
aços. 
• As altas temperaturas reduzem as resistências a escoamento e a 
ruptura, bem como o modulo de elasticidade. 
• Os aços laminados a quente perdem resistência rapidamente acima 
dos 400ºC, mas, após esfriarem, podem recuperar suas 
propriedades primitivas. 
EFEITO DA TEMPERATURA ELEVADA 
43 
PROPRIEDADES DO AÇO 
 
Quanto maior a 
temperatura, menor a 
resistência e o modulo de 
elasticidade do aço. 
44 
EFEITO DA TEMPERATURA ELEVADA 
PROPRIEDADES 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 é 
usualmente feita por pintura ou 
galvanização. 
 
CORROSÃO 
45 
PROPRIEDADES DO AÇO 
 
Rompimentos de bolts devido 
 a corrosão 
Fonte: http://blogdescalada.com 
CORROSÃO 
46 
PROPRIEDADES DO AÇO 
 
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. 
 
BARRAS 
47 
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. 
48 
PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS 
 
 
 
• A designação de perfis metálicos laminados segue determinada 
ordem 
Código, altura (mm.), peso (Kg/m) 
 
 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’ 49 
PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS 
PERFIS LAMINADOS 
• 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 
• Os Perfis em formato de I e H são muito utilizados para pilares, vigas, 
marquises e em alguns casos para tesouras. 
50 
PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS 
PERFIS LAMINADOS 
• Os perfis em formato de cantoneira "L" são utilizados de várias 
maneiras e desempenhando funções diferentes, porém são mais 
utilizadospara 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 alguns casos como terças em coberturas ou mezaninos. 
51 
PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS 
PERFIS LAMINADOS 
52 
PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS 
• 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. 
53 
PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS 
• 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 
54 
PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS 
• 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 
55 
PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS 
 
 
• 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: 
1. chapas grossas; 
2. chapas finas. 
CHAPAS 
56 
PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS 
57 
PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS 
• 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 
58 
PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS 
• Cabos de aço: São formados por fios trefilados finos, agrupados 
em arranjos helicoidais variáveis. 
59 
PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS 
60 
PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS 
61 
62