Aula1 Estruturas Metálicas FTESM

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Estruturas Metálicas
Prof. Maria Rita Pires de Carvalho Rosendo
Email:	ritapirescarvalho@hotmail.com
		maria.carvalho@ftesm.edu.br
Estruturas Metálicas
Ementa: 
 Introdução;
 Peças tracionadas;
 Ligações parafusadas;
 Ligações soldadas:
 Peças comprimidas;
 Peças fletidas;
Estruturas Metálicas
Bibliografia:
Estruturas de aço – Walter Pfeil;
NBR 8800:2008 – Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios;
Notas de aula.
Introdução 
Aços estruturais: São aços que devido às suas propriedades (resistência e ductilidade) são utilizados em elementos estruturais que suportam e transmitem esforços mecânicos.
Aço - liga de ferro e carbono (0,008% a 2,11%).
Alto teor de carbono: aumenta a resistência do aço, porém o torna mais frágil. 
Baixo teor de carbono: apresenta menor resistência à tração, porém são mais dúcteis.
Introdução 
As resistências à ruptura por tração ou compressão dos aços utilizados em estruturas são iguais (entre 300 MPa e valores acima de 1200MPa)
Os aços estruturais apresentam as seguintes propriedades:
 boa ductilidade;
 homogeneidade;
 soldabilidade;
 elevada relação entre a tensão resistente e a de escoamento.
 
Tipos de aços estruturais 
Classificação quanto à composição química:
 Aços carbono;
 Aços de baixa liga;
Aços carbono 
São os tipos mais empregados nas construções.
O aumento da resistência em relação ao ferro puro é produzido pelo carbono, e em menor escala pelo manganês.
Elementos adicionais máximos:
	Carbono: 2,0%
	Manganês: 1,65%
	Silício: 0,60%
	Cobre: 0,35%
O aumento do teor de carbono eleva a resistência do aço, diminuindo a sua ductilidade, conduzindo a problemas na soldagem.
Aços carbono 
				
						Baixo carbono < 0,29%
Em função do teor de carbono 	Médio carbono 0,3%< C < 0,59%
						Alto carbono 0,6% < C < 2%
Aços carbono 
Resistência de alguns aços-carbono
*parafusos
	Especificação	Teor de C	fy (MPa)	fu (MPa)
	ABNT MR250	baixo	250	400
	ASTM A36	0,25 – 0,29	250	400 – 500
	ASTM A307*	baixo		415
	ASTM A325*	médio		825
	EN S235	baixo	235	360
Aços carbono 
ASTM A-36: É considerado o tipo mais comum de aço-carbono e que contém de 0,25 a 0,29% de carbono, sendo utilizado em perfis, barras e chapas para o mais diversos tipos de construção, desde pontes, edifícios, etc. 
ASTM A570: É empregado principalmente para perfis de chapas dobradas, devido à sua maleabilidade.
ASTM A307: Aço de baixo carbono utilizado em parafusos comuns
ASTM A325: Aço de médio carbono utilizado em parafusos de alta resistência. 
Aços de baixa liga 
São aços carbono acrescidos de elementos de liga (cromo colúmbio, cobre, manganês, níquel, fósforo, vanádio).
Alguns elementos de liga produzem aumento da resistência do aço através da modificação da estrutura para grãos finos.
Em combinações adequadas, os elementos de liga adicionados promovem ao aço melhoras nas suas propriedades (ductilidade, tenacidade, soldabilidade, resistência à abrasão e corrosão).
O cobre é responsável pela criação de uma camada de óxido compacta que dificulta a corrosão do aço.
Com o teor de carbono de 0,2%, as adições garantem ao aço a elevação da resistência, permitindo ainda uma boa soldabilidade.
Aços de baixa liga 
Os aços de baixa-liga podem ser sub-divididos em:
• 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 ’.
• 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 .
Aços com tratamento térmico
É o tratamento térmico para aumento de resistência tanto nos aços-carbono como de baixa liga. Sua soldagem é mais difícil.
 Aço médio carbono: parafusos de alta resistência (ASTM A325);
 Aço de baixa liga: barras de aço para protensão e parafusos de alta resistência (ASTM A490).
Elementos de composição 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. 
Influência de alguns desses elementos:
• Carbono – é o 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;
Elementos de composição do aço
• 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. 
Vantagem do aço estrutural
Elevada resistência;
Vantagem do aço estrutural
Obras mais leves;
Vence grandes vãos.
Elevada Ductibilidade:
Deformação antes do rompimento se situa entre 15% e 20%;
Resistente a choques bruscos.
Aproximação entre a teoria e a realidade:
Material homogêneo e praticamente isotrópico
Possibilidade de reaproveitamento;
Rapidez de execução – benefícios econômicos;
Vantagem do aço estrutural
Facilidade de reforço e ampliação:
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Aspectos negativos do aço como material estrutural
Corrosão
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Aspectos negativos do aço como material estrutural
Comportamento em situação de incêndio
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Aspectos negativos do aço como material estrutural
Mão de obra especializada
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Noções sobre o consumo de aço
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Normalização
ABNT NBR 8800:2008 – Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios
ABNT NBR 16239:2013 – Projeto De Estruturas De Aço e De Estruturas Mistas de Aço e Concreto De Edificações Com Perfis Tubulares
ABNT NBR 14762:2010 – Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio
ABNT NBR 14323:2013 – Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios em situação de incêndio
ABNT NBR 6123:1988 – Forças devidas ao vento em edificações
ABNT NBR 6120:1980 – Cargas para o cálculo de estruturas
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Propriedades 
 Mecânicas:
Ensaio de tração – obtenção do diagrama tensão x deformação.
Propriedades 
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. 
Propriedades 
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 
Prosseguindo-se com a análise do diagrama prossegue-se pelo caminhodo 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. 
Propriedades 
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. 
 Mecânicas:
Ensaio de tração
Propriedades 
 Mecânicas:
Ensaio de tração
Propriedades 
 Mecânicas:
Denomina-se limite de escoamento a tensão a qual corresponde uma deformação de 0,002%
fy = 250MPa
fy = 350MPa
Propriedades 
 Propriedades obtidas através do ensaio:
Módulo de elasticidade;
Limite de escoamento (fy);
Limite de resistência à tração (fu);
Ductilidade.
	Constantes físicas:
	A) Módulo de elasticidade: E=205000MPa;
	B) Coef. de Poisson: u=0,3;
	C) Coef. de dilatação térmica: b=12x10-6/0C;
	D) Massa específica: r=7850kg/m3
Propriedades 
 Ductilidade:
	Capacidade de se deformar sob a ação de cargas sem que haja colapso imediato.
	Aços dúcteis: quando sujeitos a cargas elevadas, sofrem deformações plásticas capazes de redistribuis tensões. A ruptura ocorre acompanhada de grandes deformações que “avisam” a atuação de cargas elevadas.
 Fragilidade:
	É o oposto da ductilidade. Os materiais se rompem bruscamente, sem aviso prévio.
Propriedades 
 Elasticidade:
	É a capacidade do material retornar ao seu estado inicial após o descarregamento, não apresentando deformações residuais.
 Plasticidade:
	A deformação plástica é provocada pela tensão igual ou superior ao limite de escoamento. Ocorre uma mudança na estrutura interna do material, resultando em deformações residuais.
 Corrosão:
	Promove a perda da seção das peças de aço.
Propriedades 
Tipos de elementos estruturais 
Perfis Laminados:
Transformação mecânica da peça pela passagem entre cilindros.
	
Tipos de elementos estruturais 
Perfis Laminados:
	
Tipos de elementos estruturais 
Perfis Laminados:
Barras;
Chapas;
Perfis de seção aberta: Perfil I, 
H, U, Cantoneira.
	
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Tipos de elementos estruturais 
 Barras:
		O diâmetro é muito menor que o comprimento;
		Especificação através de f;
		Ex: tirantes, chumbadores, contraventamentos, etc.
 Chapas:
		São laminados planos;
		Uma das dimensões é bem menor que as demais;
		Especificação: CH+esp.(mm)+tipo de aço.
	
Tipos de elementos estruturais 
 Perfis de seção aberta:
	Peças com grande eficiência estrutural;
	Formas de H, I, C, L;
	Especificação: dimensões externas (altura o altura x largura) 			+massa do perfil (kg/m);
			
Tipos de elementos estruturais 
Perfis Laminados:
	
Tipos de elementos estruturais 
Perfis Tubulares:
Tubulares sem costura:
	Fabricados a partir da perfuração sob altas temperaturas de
um tarugo em um laminador perfurador;
Tubulares com costura:
	Dobra a frio de uma chapa na forma desejada e soldada
longitudinalmente ou helicoidalmente.
	
Tipos de elementos estruturais 
Perfis Tubulares:
	
Tipos de elementos estruturais 
 Tubos: produtos ocos, feitos com laminadores especiais ou com chapas dobradas e soldadas. Utilizados principalmente em peças comprimidas e treliças planas e espaciais.
			
Tipos de elementos estruturais 
Perfis soldados:
Combinação de chapas unidas por solda.
			
Tipos de elementos estruturais 
 Perfis soldados:
	Formados pela associação de chapas ou de perfis 		laminados;
	São empregados para atender às conveniências 		de cálculo;		
	Especificação: 
	símbolo do perfil+altura(mm)+massa do perfil (kg/m);
		Ex: colunas, estacas.
			
Tipos de elementos estruturais 
Perfis dobrados a frio:
Obtidos dobrando-se a frio chapas finas de espessuras entre, 1,5mm a 4,75mm. 
Está fora do escopo da NBR 8800:2008.	
Tipos de elementos estruturais 
 Perfis de chapas dobradas:
	Chapas metálicas de aços dúcteis podem ser dobradas a 	frio;
	São padronizados nas formas L, U, UE, Z, ZE.
			
Tipos de elementos estruturais 
Perfis dobrados a frio:
Tipos de elementos estruturais 
 Fios e cordoalhas:
Tipos de elementos estruturais 
Perfis alma corrugada:	
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Tipos de elementos estruturais 
Perfis Alveolares:	
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Elementos constituintes da seção “I” 
CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS DE PERFIS “I” SOLDADOS DA USIMINAS
Sistemas estruturais 
Sistemas estruturais 
Métodos de cálculo 
 Método dos Estados Limites
	Objetivos:
	- Não deverá ocorrer colapso em nenhuma de suas partes;
	- Deslocamentos e vibrações excessivas não devem comprometer a utilização da estrutura.
 	
Um estado limite ocorre quando a estrutura deixa de atender um destes objetivos. Eles são divididos em:
	
	ESTADOS LIMITES ÚLTIMOS: ocorre cargas excessivas e colapso 	da estrutura;
 	ESTADOS LIMITES DE UTILIZAÇÃO: correspondem às cargas em 	serviço, incluindo deformações e vibrações excessivas.
		
Método dos estados limites 
 Critério de segurança:
Sd – solicitação de projeto;
Rd – resistência de projeto;
A solicitação de projeto é obtida pela combinação das ações Fi, cada uma majorada pelo coeficiente gfi.	 A resistência de projeto é minorada pelo coeficiente . 	
Método dos estados limites 
	Para o cálculo das solicitações de projeto Sd, as ações devem ser combinadas de forma a expressar as situações mais desfavoráveis para a estrutura durante sua vida útil prevista.
Q1 = ação variável básica;
Qj = demais ações variáveis que atuam simultaneamente a Q1 e que tem efeito desfavorável;
G = ação permanente;
gg, gq = coeficientes de seguranças parciais aplicados às cargas; 
ψ0 = fator de combinação que reduz as ações variáveis para considerar a baixa probabilidade de ocorrência simultânea de ações de distintas naturezas com seus valores característicos.
Exemplo 1:
Exemplo 2: