Aula 1 aço

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ESTRUTURAS DE AÇO 
1. Definições 
 O aço é uma liga de ferro e carbono com outros elementos adicionais (manganês, fósforo etc). 
Seu teor de carbono está entre 0, 008 % e 2,11 %. O carbono aumenta a resistência do aço, mas o 
torna mais frágil (quebradiço). Os aços com baixos teores de carbono são menos resistentes à 
tração, mas são mais dúcteis, isto é, eles sofrem grandes deformações antes de se romper. Em 
estruturas usuais de aço, utilizam-se aços com baixos e médios teores de carbono, teor de carbono 
equivalente máximo de 0,45%, para permitir uma boa soldabilidade. 
 
2. Introdução 
“A escolha do material a usar em uma construção é sempre uma incógnita. Cada sistema tem um 
uso apropriado”, 
O aço, como qualquer outro material de construção resulta competitivo em alguns casos e inviável 
em outros, assim como acontece com o concreto, a madeira, o concreto protendido e os pré-
moldados. 
Com o desenvolvimento das construções e da metalurgia, as estruturas metálicas adquiriram 
formas funcionais e arrojadas, constituindo-se em verdadeiros triunfos tecnológicos. 
Como o Brasil é um país em crescimento o setor industrial é o grande consumidor de estruturas 
metálicas, absorvendo a maior parte da produção. 
O Brasil está entre os maiores produtores mundiais de mineiro de ferro. 
Aplicações das estruturas metálicas. 
Atualmente se aplicam em praticamente todos os setores construtivos. Dentre as inúmeras 
aplicações estão: 
 
 TORRES PANÉIS E POSTES 
 
 
TELHADOS
 
PONTES E VIADUTOS 
 
RESIDÊNCIAS
 
GUINDASTE 
 
ANGARES 
Tem-se construído no Brasil várias obras importantes tais como: 
• Edifício Avenida Central (RJ): Edifício em aço Construído em 1961), com 34 andares. 
 
 
• Edifício Garagem América (SP): Primeiro edifício em apresentar estrutura de aço 
aparente no Brasil, construído em 1958. 
 
• Ponte Rio- Niterói, recorde mundial em viga reta (300 m), no vão central. 
 
 
• Edifício casa do comércio da Bahia em Salvador 
 
 
3. Propriedades mecânica dos aços estruturais. 
 
As propriedades mecânicas constituem as características mais importantes dos aços para sua 
aplicação no campo da engenharia, visto que o projeto e a execução das estruturas metálicas são 
baseados no seu conhecimento. 
 
DIAGRAMA TENSÃO-DEFORMAÇÃO 
 
O ensaio de tração simples a temperatura atmosférica é muito utilizado para medir as 
propriedades mecânicas dos aços. 
A relação entre a tensão aplicada (F/A) e a deformação resultante pode ser acompanhada pelo 
diagrama tensão deformação. Os valores para a construção deste diagrama são obtidos 
submetendo o material ao ensaio de tração, sendo a deformação medida com o auxílio de um 
aparelho denominado extensômetro, acoplado à máquina de ensaio. 
 
 
Ensaio à tração de um corpo-de-prova de aço de 16 mm de diâmetr 
 
Dentro de certos limites (fase elástica), ao tracionar-se uma peça, a sua deformação segue a “Lei 
de Hooke”, ou seja, é proporcional ao esforço aplicado (Fig. acima). A proporcionalidade pode ser 
observada no trecho retilíneo do diagrama tensão-deformação e a constante de proporcionalidade 
é denominado módulo de elasticidade ou módulo de deformação longitudinal (Es). Ultrapassando 
o limite de proporcionalidade, tem lugar a fase plástica, na qual ocorrem deformações crescentes 
sem variação de tensão (patamar de escoamento). O valor constante da tensão, nessa fase, é 
chamado limite de escoamento do aço (fy). 
Após o escoamento, ainda na fase plástica, a estrutura interna do aço se rearranja e o material 
passa pelo encruamento, em que se verifica novamente a variação da tensão com a deformação, 
porém não linearmente. O valor máximo da tensão é chamado de resistência ou tensão última(fu ) 
do aço. 
O limite de escoamento de um material é calculado dividindo-se a carga máxima que ele suporta, 
antes de escoar, pela área da seção transversal inicial do corpo de prova. 
O limite de escoamento é a constante física mais importante no cálculo das estruturas de aço. 
Deve-se impedir que essa tensão seja atingida nas seções transversais das barras, como forma 
de limitar sua deformação. 
 
fu –resistência ou tensão última 
 fy – resistência ou tensão de escoamento 
 - deformação específica ( =
∆𝑙
𝑙
) 
l – deformação unitária 
l – comprimento do corpo de prova 
u – deformação específica correspondente à tensão última 
y – deformação específica correspondente à tensão de escoamento 
O aço é um dos materiais mais importante para uso em estruturas, seja isolado ou trabalhando 
em conjunto com outros materiais, como o concreto. 
As propriedades mais importantes são sua alta resistência, quando comparada com outros 
materiais e a ductilidade. 
Constantes físicas do aço. 
Na faixa normal de temperatura atmosférica as seguintes características físicas podem ser 
adotadas em todos os tipos de aços estruturais. 
• Módulo de elasticidade ou módulo de Young (Es): inclinação do diagrama na zona elástica. 
Es = σ/= 200000 MPa 
• Coeficiente de Poisson (s) 
s = y/x = 0,3 
• Coeficiente de dilatação térmica () 
 = 12x10-6 /0C 
• Massa específica (s) 
s = 7850 kgf/m3 = 78,5 kN/m3 
• Módulo de elasticidade transversal (G) 
G = 0,385 Es = 7700 Mpa 
 
4. SISTEMAS ESTRUTURAIS EM AÇO 
Os sistemas estruturais em aço dos edifícios são formados principalmente por componentes 
horizontais (vigas) e verticais (pilares). 
Os principais elementos estruturais metálicos dos edifícios, como mostra a figura, são: 
→ Pilares externos e internos; 
→ Vigas principais e secundárias (alma cheia ou treliça); 
→ Contraventamentos; 
→ Lajes e Painéis. 
 
A montagem deve começar com os pilares, de preferência com os que integram os 
contraventamentos. Em seguida, vêm as vigas ou treliças principais e, por fim, as vigas ou treliças 
secundárias. 
A estrutura utilizada nas edificações pode ser: 
 
a) Estruturas contraventadas com ligações flexíveis 
Quando se pode usar contraventamento para dar estabilidade às cargas horizontais, como a 
pressão de vento, podemos fazer o resto da estrutura trabalhar de forma mais simples com 
maior número de ligações flexíveis o que torna a estrutura mais fácil de se montar, mas a 
necessidade de incluir as subestruturas de contraventamento leva à concentração das forças 
horizontais nas suas fundações. 
 
Figura 7a)- Estrutura contraventada com ligações flexíveis, com subestrutura de 
contraventamento do tipo parede diafragma. 
 
Figura 7b)- Estrutura com contraventamento do tipo treliçado: (c) em X; (d) em K. 
b) Pórticos ou quadros com ligações rígidas 
 Ao contrário, quando não podemos usar os contraventamentos, temos que aporticar a 
estrutura, resultando em uma estrutura com ligações rígidas, o que torna mais lenta a 
montagem e a estrutura menos econômica, mas em contraposição as forças horizontais se 
distribuem pelas fundações de todos os pilares. 
 
COMPORTAMENTO DAS LIGAÇÕES 
O funcionamento das estruturas com elementos pré-fabricados, como é o caso das estruturas 
de aço, depende essencialmente do comportamento de suas ligações. Os dois tipos ideais de 
comportamento das ligações são a perfeitamente rígida, que impede completamente a rotação 
relativa entre a viga e a coluna (figura 8a) e a rotulada, que deixa livre a rotação relativa entre 
estes dois elementos estruturais (figura 8b). 
 
Figura 8: Ligações ideais: a) ligação perfeitamente rígida e b) ligação flexível ou rotulada. 
 
 
 
Figura 9a: Ligações na prática com comportamento semelhante às ligações ideais: ligação rígida 
 
Figura 9b: Ligações na prática com comportamento semelhante às ligações ideais: ligação flexíve 
5. Normas para o projeto e cálculo de estruturas metálicas. 
Nas fases de dimensionamento e detalhamento do projeto estrutural utiliza-se além dos 
conhecimentos de analise estrutural e resistência dos materiais, grande númerode regras. O 
conjunto de regras e recomendações para a estrutura que devem ser respeitadas pelos 
engenheiros na elaboração do projeto é denominado de NORMAS. 
No Brasil é usada a norma técnica NB14 (NBR8800/2008): “Projeto e execução de estruturas de 
aço de edifícios” (método dos estados limites). Esta norma é essencialmente baseada na norma 
americana. 
Notas: 
• Ver na bibliografia do curso outras normas estrangeiras importantes. 
• As unidades de medida a serem adotadas no Brasil são as do SI (sistema 
internacional de unidades). 
• Nos desenhos as medidas lineares são todas em mm, no havendo necessidade de 
explicitar o fato. 
 
 
6. SEGURANÇA E ESTADOS LIMITES (pág. 35-46 do livro “Estruturas de Aço”) 
 6.1- Carregamentos ou ações 
São as cargas que atuam nas estruturas ou as deformações impostas (por variação de 
temperatura, recalques etc) 
Normas brasileiras que se ocupam das cargas sobre as estruturas são: 
• NBR6120 – Cargas para o cálculo 
de estruturas de edificações 
• NBR6123 – Força do vento 
• NBR7188 – Carga móvel em ponte 
rodoviária e passarela de pedestres 
 
Classificação das cargas: 
▪ Permanentes (G) – Carga vertical composta por: 
o Peso próprio (Pp) das estruturas 
o Revestimento 
o Acabamento 
o Pisos 
▪ Variáveis (Q): 
o Sobrecarga de ocupação da edificação (Pp das pessoas) 
o Mobília 
o Vento 
o Variação da temperatura 
▪ Excepcional (E) 
o Explosões 
o Choques de veículos 
o Sismos 
 
 
6.2- Método de dimensionamento. 
O dimensionamento das estruturas metálicas no Brasil é feito pelo Método dos Estados 
Limites. 
Estado Limite: Estado no qual a estrutura tem um comportamento inadequado para a finalidade 
da obra 
O método dos estados limites utilizado para o dimensionamento dos componentes de uma 
estrutura (barras, elementos e meios de ligação) exige que nenhum estado limite aplicável seja 
excedido quando a estrutura for submetida a todas as combinações apropriadas de ações. 
Quando um ou mais estados limites foram excedidos a estrutura não mais atende aos objetivos 
para os quais foi projetada. Os estados limites últimos (E.L.U.) estão relacionados com a 
segurança da estrutura sujeita às combinações mais desfavoráveis de ações previstas em toda a 
vida útil. Os estados limites de serviço ou utilização (E.L.S.) estão relacionados com o desempenho 
da estrutura sob condições normais de serviço. 
E.L.U: Estado associado ao colapso total ou parcial da estrutura quando submetida às 
combinações de ações mais desfavorável durante toda sua vida útil. 
Ex: 
• Ruptura de uma seção ou ligação 
• Flambagem de um elemento comprimido 
E.L.S: Estado associado com o desempenho da estrutura sob condições normais de utilização 
ou serviço 
Ex: 
• Deformações excessivas (devido a cargas em serviço) 
• Vibrações excessivas (devido a cargas em serviço) 
 
 
7.3- Segurança no Estado limite último (E.L.U.) 
A segurança neste método é dada pela equação: 
Rd ≥ Sd 
“O esforço interno resistente de cálculo do elemento estrutural analisado tem que ser maior ou 
igual que o esforço atuante ou solicitante de cálculo” 
onde 
Sd = ΣfiFi – esforço atuante ou solicitante de cálculo ou de projeto, obtido a partir da 
combinação mais desfavorável de ações Fi , cada uma majorada pelo coeficiente f (d vem de 
design – projeto) 
f – coeficiente de majoração das ações ou solicitações ou fator de carga (g-carga permanente 
e q-carga variável). Leva em conta as incertezas das solicitações.(tab 1.5 e 1.6- livro “Estrutura 
de Aço”) 
Rd – esforço interno resistente de cálculo ou de projeto da seção analisada (momento fletor, 
esforço normal, cortante, etc ), denomina-se resistência última e se calculam em função da 
resistência característica, fk. 
O esforço resistente de projeto é: 
𝑅𝑑 =
Rúlt.(𝑓𝑘)

m
 
 m – coeficiente de minoração das resistências ou fator de resistência. Leva em conta as 
incertezas das resistências. (tab.1.7 do livro) 
 
7.4 Verificação do Estado limite de serviço ou utilização (E.L.S.) 
Consiste na verificação da estrutura sob cargas de serviço, isto é verificar a capacidade da 
estrutura de desempenhar satisfatoriamente as funções para as quais foi concebida. 
Por exemplo: 
1. Deseja-se evitar a sensação de insegurança dos usuários de uma estrutura devido a 
deslocamentos excessivos ou vibrações excessivas, 
2. Evitar prejuízos a componentes não estruturais como janelas, portas devido a deslocamentos 
excessivos de elementos estruturais. 
A verificação está dada pela desigualdade: 
Sser≤ Slim 
onde 
Sser – representa os efeitos estruturais de interesse (ex. deslocamentos em vigas) obtidos com 
base nas combinações de serviço das ações, 
Slim– representa os valores limites adotados para esses efeitos. (tab.1.8 do livro) 
 
7.5 Combinação das ações. 
Para o cálculo das solicitações de projeto Sd, as ações devem ser combinadas de forma a 
expressar as condições mais desfavoráveis para a estrutura durante a sua vida útil prevista. 
 
 
• As combinações de ações para os estados limites últimos (E.L.U) são as seguintes: 
a) Combinações normais e combinações aplicáveis a etapas construtivas (montagem): 
( ) ( )
=
++=
n
j
jojqjqigid QQGF
2
11  
b) Combinações excepcionais: 
( ) ( ) ++= jqigid QEGF 2 
Onde: 
 Fd = ação ou carregamento de projeto ou de cálculo 
Q1= ação variável predominante, principal 
Qj = demais ações variáveis que atuam simultaneamente com Q1 e com efeito desfavorável. 
g = coeficientes de ponderação das ações permanentes (tabela 1.5, do livro) 
q = coeficientes de ponderação das ações variáveis (tabela 1.5, do livro) 
 0 = fator que reduz as ações variáveis. Considera-se a baixa probabilidade de ocorrência 
simultânea de ações de distintas naturezas com seus valores característicos. (tabela 1.6, do livro) 
0=2 - Quando houver carga excepcional 
 
NOTAS IMPORTANTES: 
✓ As solicitações de cargas permanentes “G” devem estar presentes em todas as 
combinações; 
✓ As solicitações variáveis devem ser consideradas uma de cada vez como dominante “Q1” 
nas combinações. 
✓ Quando tiver carga de vento de sucção e estiver agindo como dominante, a carga 
permanente deve ser afeitada pelo coeficiente g que na tabela 1.5 está entre parêntesis, 
já que esta carga “G” nessa combinação seria favorável à segurança e devo então diminui-
la. Se tiver também sobrecarga variável não devo considerá-la, pois esta carga pode ou 
não agir e se agir seria favorável. 
 
• As combinações de ações para os estados limites de serviço (E.L.S) são as seguintes: 
c) Combinações quase permanentes: 
( ) ( )
=
++=
n
j
jji QQGF
2
212 
 
d) Combinações freqüentes: 
( ) ( )
=
++=
n
j
jji QQGF
2
211 
 
e) Combinações raras: 
( ) ( )
=
++=
n
j
jji QQGF
2
11 
 
1 e 2 são os fatores de redução para as ações variáveis (tabela 1.6) 
12   
✓ Conforme o rigor que se precise na estrutura cabe ao projetista selecionar a 
combinação que vai ser usada na verificação 
Por exemplo, para verificar o deslocamento vertical de uma viga para evitar deslocamentos 
excessivos, usa-se uma combinação quase permanente, o rigor pode não ser tão grande. Mas 
se essa viga vai suportar equipamentos sensíveis ou paredes que podem fissurar pelas 
deformações excessivas usa-se uma combinação rara, pois a restrição deve ser maior. 
Exercício resolvido na aula.