Processo de Fabricação de Estruturas de Aço

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ESTRUTURAS DE AÇO
Eng.ª Civil ÉRIKA CRISTINA NOGUEIRA MARQUES PINHEIRO
Licenciada em Matemática
Especialista em Didática do Ensino Superior – Concreto I
Especialista em Tutoria e Docência em Educação à Distância – EAD – Materiais de
Construção I
Especialização em Engenharia de Segurança do Trabalho – Cursando
Mestrado em Engenharia Industrial - Cursando
erikamarquespinheiro@gmail.com
Fone: 99204-1100
NILTON LINS GRADUAÇÃO
ENGENHARIA CIVIL
No caso do Forno Elétrico, ainda hoje utilizado, a energia térmica
é fornecida por arcos voltaicos entre eletrodos e o aço fundido e
esse processo é utilizado para refinar aços provenientes do
Conversor Bessemer ou do Forno Siemens-Martin.
O aço líquido superaquecido absorve gases da atmosfera e oxigênio
da escória. O gás é expelido lentamente pelo resfriamento da
massa líquida, porém, ao se aproximar a temperatura de
solidificação, o aço ferve e os gases escapam rapidamente, que tem
como consequência a formação de diversos vazios no aço, que deve
ser solucionada através da adição de ferro-manganês na panela.
Na atualidade, nas fabricações mais modernas, é utilizado em
larga escala o Conversor de Oxigênio, denominado Conversor BOF
(Sopro de Oxigênio), que como o próprio nome indica, baseia-se na
injeção de oxigênio dentro da massa liquida do ferro fundido
(gusa). O ar injetado queima o carbono, em um processo de 15 a 20
minutos, ou seja, de ata eficiência.
PROCESSO DE FABRICAÇÃO
O aço líquido, como percebemos, absorve e perde gases no
processo de fabricação. Devido a essa desgasificação, os
aços são classificados em: efervescentes, capeados, semi-
acalmados e acalmados.
Os aços efervescentes, assim chamados por provocarem
certa efervescência nas lingoteiras, são utilizados em
chapas finas; os aços capeados, por sua vez, são análogos
aos efervescentes.
Os aços semi-acalmados, parcialmente desoxidados, são os
mais utilizados nos produtos siderúrgicos correntes –
perfis, barras, chapas grossas; enquanto que os aços
acalmados, que têm todos os gases eliminados, apresentam
melhor uniformidade de estrutura e destinados aos aços-
ligas, aos aços de altocarbono, ou mesmo de baixo-carbono
destinados à estampagem.
PROCESSO DE FABRICAÇÃO
A laminação, como processo seguinte, promove o
aquecimento dos lingotes obtidos nos processos descritos
acima, e são sucessivamente prensados em rolos –
laminadores – até adquirirem as formas desejadas: barras,
perfis, trilhos, chapas, etc.
Importante, também, é conhecermos os tratamentos
térmicos, cuja finalidade é a de melhorar as propriedades
dos aços e que se dividem em dois tipos principais:
✓ Tratamentos destinados a reduzir tensões internas
provocadas por laminação, solda, etc.
✓ Tratamentos destinados a modificar a estrutura
cristalina com alterações da resistência e outras
propriedades
PROCESSO DE FABRICAÇÃO
As principais metodologias adotadas são:
✓ Normalização – o aço é aquecido a uma temperatura da ordem
de 800ºC e mantido nessa temperatura por quinze minutos e
depois deixado resfriar lentamente no ar e através desse
processo refina-se a granulometria, removendo-se as tensões
internas de laminação, fundição ou forja
✓ Recozimento – o aço é aquecido a uma temperatura
apropriada, dependendo do efeito desejado, mantido nessa
temperatura por algumas horas ou dias e depois, deixado para
resfriar lentamente, em geral no forno e, através desse
processo, se obtém a remoção das tensões internas e redução
da dureza
✓ Têmpera – o aço é aquecido a uma temperatura de cerca de
900ºC e resfriado rapidamente em óleo ou água para cerca de
200ºC, cuja finalidade é aumentar a dureza e a resistência
diminuindo a ductibilidade e a Tenacidade
PROCESSO DE FABRICAÇÃO
Após processo de fabricação e segundo sua
composição química, os aços sofrem determinadas
classificações a partir dessas composições, pois
percebemos que o aço é um composto que consiste
quase totalmente de ferro (98%), com pequenas
quantidades de carbono, silício, enxofre, fósforo,
manganês, etc., sendo que o carbono é o material
que exerce o maior efeito nas propriedades do aço,
resultando daí, as classificações mencionadas.
Os aços utilizados em estruturas metálicas são
divididos em dois grupos: aço-carbono e aço de
baixa-liga.
CLASSIFICAÇÃO
O aço-carbono é o tipo mais usual, quando o acréscimo de
resistência em relação ao ferro é produzido pelo carbono.
Em estruturas correntes, os aços utilizados possuem um
teor de carbono que não deve ultrapassar determinados
valores, pois caso esses valores sejam superiores aos limites
estabelecidos, haverá um decréscimo na soldabilidade –
capacidade de se utilizar processo de soldas – criando
algumas dificuldades de fabricação e montagem das
estruturas, mesmo embora o resultado dessa maior adição
de carbono resulte em um aço de maior resistência e de
maior dureza.
Nesse tipo de aço 2 as máximas porcentagens de elementos
adicionais são:
Carbono (1,7%) – Manganês (1,65%) – Silício (0,60%) e
Cobre (0,60%)
AÇO-CARBONO
Esse tipo de aço é obtido pelo mesmo aço-carbono
acrescido de elementos de liga em proporções
diminutas – cobre, manganês, silício, etc. A adição
desses elementos promovem alterações na micro
estrutura original, ampliando a resistência desse
tipo de aço.
Na pequena variação de ordem química somada à
adição de outros componentes, também pode ser
aumentada a resistência à oxidação, fator que
como vimos anteriormente, impõe acréscimo de
custos nas estruturas.
Dessa maneira, os aços de baixa-liga podem ser
sub-divididos em:
AÇO DE BAIXA-LIGA
Aços de Alta Resistência Mecânica
✓ ASTM A441: Utilizado em estruturas que
necessitem de alta resistência mecânica
✓ ASTM A572: Utilizado em estruturas que
necessitem de alta resistência mecânica têm,
atualmente, aumentado consideravelmente seu
uso no mercado de perfis, em especial, vigas tipo
‘ I ‘ ou ‘ U ’
AÇO DE BAIXA-LIGA
Aços de Alta Resistência Mecânica e Corrosão
Atmosférica
✓ ASTM A242: Possuem o dobro da resistência à
corrosão do aço-carbono, o que permite sua
utilização plena em situações de exposições às
intempéries, cujos produtos mais conhecidos
respondem pelos nomes comerciais de:
✓ NIOCOR, produzido pela CSN; SAC, produzido
pela Usiminas e COS-AR-COR,produzido pela
Cosipa
AÇO DE BAIXA-LIGA
Uma vez verificada a classificação dos aços estruturais, é
relevante se conhecer um pouco mais sobre a influência da
composição química nas propriedades do aço.
A composição química determina muitas das características
do aços, sendo que alguns elementos químicos presentes
nos aços comerciais são consequência dos métodos de
obtenção; outros são adicionados a fim de se atingir
determinados objetivos. A influência de alguns desses
elementos, pode ser descrita resumidamente:
✓Carbono – como já vimos, é o principal elemento para
aumento da resistência
✓Cobre – aumenta de forma muito eficaz a resistência à
corrosão atmosférica e a resistência à fadiga
ELEMENTOS DE COMPOSIÇÃO 
QUÍMICA DO AÇO
✓ 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 tenacidade 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.
ELEMENTOS DE COMPOSIÇÃO 
QUÍMICA DO AÇO
Para melhor se compreender o comportamento das
estruturas de aço, se faz necessário conhecer, de
forma satisfatória, as principais propriedades dos
aços estruturais.
O primeiro ponto a ser analisado deve ser o
diagrama detensão-deformação, para se
analisar e entender o comportamento estrutural.
Quando solicitamos um corpo de prova ao esforço
normal de tração, podemos obter valores
importantes para a determinação das propriedades
mecânicas dos aços.
PROPRIEDADES DOS AÇOS ESTRUTURAIS
As primeiras propriedades mecânicas que
devem ser salientadas são:
✓ Fy : Tensão limite de resistência à tração
(variável para os tipos de aço)
✓ Fu : Tensão última de resistência à tração
(variável para os tipos de aço)
✓ E : Módulo de Elasticidade = 205 Gpa
PROPRIEDADES DOS AÇOS 
ESTRUTURAIS
Elasticidade vem a ser a capacidade que certos elementos
estruturais têm de voltar à sua forma original após sucessivos
ciclos de carregamento e descarregamento. Se recorrermos à
Resistência dos Materiais – o ramo da Mecânica Aplicada que,
utilizando os conhecimentos da Teoria Matemática da
Elasticidade, bem como da Mecânica Racional, estabelece
fórmulas onde são considerados os efeitos internos nos corpos,
produzidos pela ação de forças externas – é necessário
recordar-se da Lei de Hook.
Essa lei muito antiga, segundo alguns autores, data de 1676 e
enunciada por Hook, estabelece que através de numerosas
observações do comportamento dos sólidos, demonstra-se que,
na imensa maioria dos casos, os deslocamentos, dentro de
certos limites, são proporcionais às cargas que atuam, ou seja,
segundo seja a força, assim será a deformação.
PROPRIEDADES DOS AÇOS 
ESTRUTURAIS
Partindo da condição de que as tensões são produzidas
pelos esforços atuantes, elas aumentarão com o aumento
das forças aplicadas. Daí, os aumentos das tensões serão
acompanhados por aumentos das deformações, passando
por uma série de estados em que sejam de efeito desde
desprezível até a condição de desagregação das moléculas
no ponto de ruptura. Para a avaliação desses estados se
realizam provas do material (ensaios), por meio de “corpos
de prova”, devidamente proporcionados, submetidos à
experiência de laboratório com máquinas especiais.
No caso dos aços estruturais, os ensaios de laboratório são 
realizados para esforços de tração. 
PROPRIEDADES DOS AÇOS 
ESTRUTURAIS
Como vimos acima, a elasticidade é a propriedade que
certos corpos têm de retornarem, depois de deformados –
sujeitos à ação de uma carga – à sua forma inicial, quando
desaparecem as causas que motivaram a deformação.
Assim, no ensaio de tração simples, sob a ação de uma
carga P, o corpo de comprimento L, é aumentado da
grandeza δ. À medida que se aumenta P, δ também
aumenta, e se não for ultrapassado o “limite de
elasticidade” do material, quando se retira a carga P, o
corpo volta às condições primitivas. Por isso, devido à
elasticidade, a energia potencial interna, armazenada
durante o desenvolvimento da deformação δ, é capaz de
devolver ao corpo, em forma de trabalho mecânico, o
necessário para restaurar as condições primitivas.
PROPRIEDADES DOS AÇOS 
ESTRUTURAIS
ν : Coeficiente de Poisson = 0,30
Coeficiente de Poisson é o coeficiente de
proporcionalidade entre as deformações longitudinal e
transversal de uma peça. Quando se realiza estudos das
deformações ao longo do eixo longitudinal de uma peça,
observa-se uma propriedade em todos os sólidos relativas
às deformações consequentes transversais. Por exemplo,
uma tração, que conduz ao aumento do comprimento,
corresponderá a uma contração transversal; enquanto que
uma compressão, que conduz à redução do comprimento,
corresponderá a uma expansão transversal. Portanto, o
coeficiente de Poisson equivale o mesmo que coeficiente de
deformação transversal.
PROPRIEDADES DOS AÇOS 
ESTRUTURAIS
β : Coeficiente de Dilatação Térmica = 12 x 10-6 C
Quando se eleva ou se abaixa a temperatura de um
corpo, o material se dilata ou se contrai, a não ser
que seja impedido por circunstâncias locais e,
havendo a mudança de temperatura de uma barra
livre, o Coeficiente de Dilatação Térmica do
material é a variação por unidade de comprimento
e por grau de temperatura
PROPRIEDADES DOS AÇOS 
ESTRUTURAIS
G : Módulo de Elasticidade Transversal = 0,385 E
Módulo de Elasticidade Transversal ou
simplesmente Módulo de Elasticidade de
Cisalhamento, é utilizado quando ocorre a
extensão ou encurtamento motivada por
cisalhamento, ou seja, por corte no plano
perpendicular. Essas deformações por corte,
ocorrem com as de tração-compressão na flexão e
torção
γ : Peso Específico = 78,50 KN/m3
PROPRIEDADES DOS AÇOS 
ESTRUTURAIS
Uma vez conhecidas as principais propriedades mecânicas dos
aços estruturais, já se pode analisar o Diagrama de Tensão-
Deformação, representado a seguir.
PROPRIEDADES DOS AÇOS ESTRUTURAIS
Em O-A há proporcionalidade entre a tensão e a deformação,
cujo ponto A define o Limite de Proporcionalidade (Lei de Hook –
Força e Deformação). Além do ponto A, a linha descreve um raio
curto até o ponto B. Se até esse ponto a carga atuante fosse
retirada lentamente, haveria o desaparecimento da deformação.
Nesse período chamado Período Elástico, o material se
comportou elasticamente e o ponto B será o Limite de
Elasticidade do Material. Esse ponto B separa duas condições
importantes do material, pois após esse limite, o material, como
que cansado, perde bruscamente grande poder de resistência.
Chegado ao ponto B, ocorre um fenômeno interessante no
material, pois o corpo apresenta uma deformação apreciável, sem
ter aumento apreciável de tensão e sem que se note qualquer
lesão no material, mas se verifica uma queda brusca no caminho
do ponto B ao ponto C, onde se observa um desarranjo molecular
do material e, por isso mesmo, esse ponto denomina-se Limite de
Escoamento (Fy).
PROPRIEDADES DOS AÇOS ESTRUTURAIS
Prosseguindo-se com a análise do diagrama prossegue-se pelo
caminho do ponto C ao ponto D, onde as deformações são cada
vez maiores, onde no último ponto (D) ocorre o Limite de
Tensão Máxima (Fu), também chamado tensão de ruptura.
Esse período onde as deformações são permanentes,
denomina-se Período Plástico, pois ao ser retirada a carga
lentamente, o material não mais retorna ao estado primitivo e
permanece em estado de deformação permanente. Ao atingir o
ponto D, a seção do material começa a se estrangular,
significando uma alteração molecular e, neste período
denominado de estricção, a área da seção transversal do
material vai diminuindo e começam a aparecer fissuras, de
fora para dentro, até que a ruptura se complete. Para efeito
de classificação, diz se que o material está no Regime Elástico
quando obedece ao período entre os pontos O e B e no Regime
Plástico quando ultrapassa o ponto B.
PROPRIEDADES DOS AÇOS ESTRUTURAIS
PROPRIEDADES DOS AÇOS ESTRUTURAIS
Outras propriedades que devem ser estudadas são:
✓ Dureza – É a resistência ao risco ou abrasão e pode ser
medida pela resistência com que a superfície do material
se opõe à introdução de uma peça de maior dureza. Os
ensaios de dureza são bastante utilizados para verificar
a homogeneidade do material.
✓ Ductilidade – É a capacidade do material de se
deformar sob a ação de cargas e as estruturas dotadas de
maior ductilidade sofrem grandes deformações antes de
se romperem, o que na prática constitui um aviso da
existência de tensões elevadas, ou seja, o aço vai além do
seu limite elástico.
PROPRIEDADES DOS AÇOS ESTRUTURAIS
✓ Tenacidade – É a energia mecânica total que o material
pode absorver em deformações elásticas e plásticas até a
sua ruptura.
✓ Resiliência – É a energia mecânica total que o material
pode absorver em deformações elásticas até sua ruptura.
✓ Efeito de Alta e Baixa Temperaturas – As altas
temperaturas modificam as propriedades mecânicas dos
aços estruturais, pois acima de 100ºC, a uma tendência a
se eliminar a definição linear do limite de escoamento,
surgindo reduções acentuadas das resistências de
escoamento bem como do módulo de elasticidade. As
baixas temperaturas, por sua vez, estabelecem a perda
de ductibilidade e de tenacidade, o que constituiuma
fato indesejável, podendo conduzir à ruptura frágil.
PROPRIEDADES DOS AÇOS ESTRUTURAIS
✓ Ruptura Frágil – São muito perigosas, pois são bruscas
e não apresentam avisos pelas deformações exageradas
das peças estruturais. O comportamento da fragilidade
pode ser abordado sob dois aspectos: iniciação da fratura
e propagação. A iniciação ocorre quando uma tensão ou
deformação elevada se desenvolve num ponto onde o
material perdeu ductibilidade e uma vez iniciada a
ruptura, ela se propaga pelo material mesmo sob tensões
moderadas.
✓ Fadiga – É a ruptura de uma peça sob esforços repetidos
em geral determinantes em peças de máquinas e
estruturas sob efeito de cargas móveis.
PROPRIEDADES DOS AÇOS ESTRUTURAIS
TABELAS
TRAÇÃO
Para Ny = A fy, atinge-se a resistência ao escoamento ao
longo de toda a seção transversal, tanto na seção 1 quanto
na seção 2. Para esse valor de N, obtém-se ∆L1 ≅ 0,02 L
(ver figura 1.2).
TRAÇÃO
A distribuição de tensões em regime elástico depende do tipo de
ligação entre as peças.
1.1 PEÇAS SEM FUROS (LIGAÇÕES SOLDADAS)
A figura 1.1 ilustra o comportamento de uma peça sob tração
axial. Observa-se que o estado limite último é atingido quando
ocorre o escoamento ao longo de toda a seção transversal.
A figura 1.3 mostra o comportamento de peças com ligação
parafusada quando submetidas à tração.
Nesse caso, quando se atinge a resistência ao escoamento ao 
longo de toda a seção transversal 2, a tensão média ao longo da 
seção 1 ainda será inferior a fy, ou seja, se então,
pois A > An, sendo A a área da seção transversal e An
a área líquida. 
1.2 PEÇAS COM FUROS (LIGAÇÕES 
PARAFUSADAS)
Assim, ocorrem grandes deformações plásticas apenas na região
dos furos e, como resultado, ΔL2 < 0,02L .
Em edifícios, não se considera como estado limite último o
escoamento da seção líquida de peças com ligações
parafusadas. Supõe-se a ocorrência da redistribuição plástica,
podendo se atingir o carregamento correspondente à ruptura
da seção líquida.
São exceções:
- peças com furos muito alongados;
- material que não tem comportamento dúctil (problemas com
fadiga).
O valor de cálculo da força normal resistente (NRd) ao
escoamento da seção bruta é:
1.3 ESCOAMENTO DA SEÇÃO BRUTA
𝛾a,y= coeficiente de ponderação do aço estruturas (Tabela 3 NBR
8800, página 33) Para este caso, está relacionado a escoamento.
A área líquida An de uma seção transversal
qualquer de uma barra deve ser calculada pela
soma dos produtos da espessura pela largura
líquida de cada elemento (figura 1.4), medida na
direção normal ao eixo da barra.
1.4.1 Cálculo da área líquida An em chapas ou 
cantoneiras com furos alinhados
A área líquida é calculada da seguinte forma:
Onde
b – largura da chapa ou da cantoneira desenvolvida
bn - largura líquida da chapa ou da cantoneira desenvolvida
dh - diâmetro do furo (incluindo folga-padrão de 1,5mm)
∅ - diâmetro nominal do furo adotado para cálculo (∅ = dh +
2,0mm)
t - espessura.
O valor adotado para ∅ deve considerar a folga e o dano ocorrido 
durante o processo de furação (figura 1.5).
O cálculo da área líquida An em chapas ou cantoneiras com
furação alternada e em perfis pode ser visto no Anexo A.
1.4.2 Ct
O coeficiente de redução da área líquida conforme apresentado
na figura 1.6 é função:
✓ Do coeficiente de redução da área líquida conforme
apresentado na figura 1.6 é função:
do comprimento da conexão (concentração de tensões);
✓ Da excentricidade (posição da ligação relação ao centro
geométrico, CG, da seção transversal do perfil).
Figura 1.6 - O comprimento da conexão e a excentricidade da ligação influenciam o
valor do coeficiente de redução da área líquida (Ct ≤ 1)
Para a determinação de Ct veja o Anexo A.
1.5 LIMITE DE ESBELTEZ 
(Estado limite de serviço)
Recomenda-se limitar a flexibilidade das peças (por
exemplo: vibração, deslocamento
excessivo de peças de travamentos em X, etc.) por meio da
seguinte restrição:
Onde:
r - raio de giração;
l - comprimento não travado da peça na direção em que se 
tomar r.
Em um ensaio de compressão, sem a ocorrência de
instabilidades, obtém-se um diagrama
tensão-deformação similar ao do ensaio de tração.
Figura 6.3 - Diagrama tensão-deformação
dos aços estruturais, em escala deformada