Dimensões:
CS de 250 a 650 CVS de 250 a 650 VS de 250 a 1500
Designação: VS d x PESO VS 900 x 124 Perfil soldado série viga com d = 900 e peso 124 kg / m V) Perfis em chapas dobradas: estes produtos estão sendo aplicados de forma crescente na execução de estruturas leves. a) Tipo: Perfil Canal Perfil C não enrigecido (Tab. C-23, Bellei, 2 ª ed.)
Perfil C de h x b x t b) Tipo: Perfil Z Perfil Z não enrigecido
Perfil Z de h x b x t (Tab. C-25, Bellei, 2 ª ed.)
Perfil C enrigecido (Tab. C-24, Bellei, Bellei, 2 ed.)
Perfil C de h x b x c x t Perfil Z enrigecido
Perfil Z de h x b x c x t (Tab. C-26, Bellei, 2 ª ed.) 13
Estruturas Metálicas 1.0 Considerações básicas: O aço é basicamente uma liga de ferro com baixo teor de carbono (<1,7%) e outros elementos químicos que aparecem como impurezas ou são adicionados para fornecer propriedades desejadas.
1.1 Obtenção do aço: Para produzir aço, parte-se do ferro, que é encontrado na natureza em forma de óxido e, na operação denominada redução é transformado em metal. A operação de redução consiste em fornecer calor ao minério de ferro, que combina o oxigênio existente nas suas moléculas com carbono de carvão utilizado na queima, deixando como produto, nos altos fornos ou em fornos de redução r edução direta, o metal básico ferro (ferro gusa). A seguir, o ferro gusa é transformado em aço mediante a passagem de ar ou oxigênio puro no seu interior, possibilitando a combinação com carbono existente. Ao mesmo tempo podem ser adicionados outros elementos (silício, manganês, fósforo, enxofre, etc.), gerando-se assim os mais diversos tipos de aço. Outro processo utilizado consiste consiste em fundir sucata de ferro em um forno elétrico. Após esta transformação, o aço pode ser moldado na forma de chapas, barras, perfis, tubos, etc., num processo chamado de laminação.
1.2 Classificação: a) Segundo o teor de carbono: I) Ferro gusa: teor de carbono entre 3,5% a 4% (1 ª fusão do minério de ferro); II) Ferro fundido: teor de carbono entre 1,8% a 2% (2 ª fusão); III) Aço carbono: teor de carbono entre 0,15% a 1,7%; IV) Ferro doce ou forjado: teor de carbono menor que 0,15%. b) Aços estruturais: I) Aço-carbono:
baixo carbono:
C < 0,15%
carbono moderado:
0,15% < C < 0,29%
médio carbono:
0,30% < C < 0,59%
alto carbono:
0,60% < C < 1,7% 2
Exemplos:
ASTM A7 ASTM A36 DIN St37 ASTM A307 (parafuso comum) ASTM A325 (parafuso de alta resistência) ASTM A570 (chapas) ASTM A500 (tubos)
II) Aços de baixa liga: Aços com elementos de liga para aumentar a resistência mecânica ou à corrosão. Exemplos:
ASTM A242 USI-SAC-350
As usinas nacionais produzem aço de alta resistência mecânica e à corrosão atmosférica, atmosférica, com os seguintes nomes comerciais: USI-SAC: produzido pela Usiminas NIOCOR: produzido pela CSN e Cosipa COS-AR-COR: produzido pela CSN e Cosipa. III) Aços com tratamento térmico: Tanto os aços-carbono quanto os de baixa liga podem ter suas resistências aumentadas pelo tratamento térmico, porém são aços de soldagem mais difícil. Os parafusos de alta resistência e os aços de baixa liga usados em barras de protensão, recebem tratamento térmico.
1.3 Principais associações técnicas: ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas BRxxx (Baixa Resistência + tensão de escoamento f y em MPa): BR190 MRxxx (Média Resistência + tensão de escoamento f y em MPa): MR250 ARxxx (Alta Resistência + tensão de escoamento f y em MPa): AR345 ASTM - American Society for Testing and Materials Ordem cronológica: ASTM A36, A325 SAE - Society of Automotive Engineers Composição química: SAE 1020 DIN – Deustsche Industrie Normen (norma alemã)
3
1.4 Histórico: Séc XII: produção de ferro fundido em larga escala (China); 1.750: produção industrial do ferro fundido (Inglaterra); 1.779: ponte sobre o rio Severn (Inglaterra); (I nglaterra); 1.857: ponte sobre o rio Paraíba do Sul (Brasil); 1.860: produção industrial do aço; 1.890: o aço suplanta o ferro fundido como material de construção; 1.953: Companhia Siderúrgica Nacional (CSN); 1.960: aços de baixa liga; 1.961:edifício 1.961:edifício Avenida Central; 1.970: ponte Rio-Niterói.
1.5 Normas técnicas: NBR 6120 (NB-5/1978): Cargas para o cálculo de estruturas de edificações edificações (ABNT); NBR 6123 (NB599/1987): ( NB599/1987): Forças devidas ao vento em edificações (ABNT); NBR 8681 (NB 862/1984) Ações e segurança nas estruturas (ABNT); NBR 8800 (NB 14/1986): Projeto e Execução de Estruturas de Aço de Edifícios (ABNT); LRFD Manual of Steel Construction (AISC); Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE 7-98) (American Society of Civil Engineers); Structural Welding Code: Steel : ANSI/AWS D1.1 2000 Vol. 1 (American Welding Society).
1.6 Ensaio de tração simples (curva tensão x deformação): l0 A0
F
l0 + ∆l A
F
4
Lei de Hooke: Os deslocamentos são proporcionais aos esforços (dentro de certos limites).
∆l = kF Tensão: σ =
F A 0
Deformação específica: específica: ε =
∆l l0
Lei de Hooke: σ = E ε ε E : módulo de elasticidade ( módulo de Young) ,
para o aço E = 205.000 MPa
Curvas tensão-deformação tensão-deformação de aços estruturais
f y: tensão de escoamento f u: tensão de ruptura
5
Trecho inicial de curvas tensão-deformação de aços estruturais (Ampliação da parte inicial da figura anterior)
f y: tensão de escoamento f u: tensão de ruptura
1.7 Ensaio de cisalhamento simples: τ d F
A
f v
γ h0 F
τ =
Tensão de cisalhamento:
tg-1 G γ
F A
Lei de Hooke: τ = Gγ
γ = distorção;
γ =
d h0
G:
módulo de elasticidade transversal; Relação entre E , G e ν : G = E 2(1 + ν ) Experimentalmente, Experimentalmente, verificou-se que f v = 0,60 f y , sendo f v a tensão de escoamento ao cisalhamento. 6
1.8 Propriedades dos aços: Constantes físicas: 2
E = 205.000 MPa = 205 GPa ≅ 2.100.000 kgf/cm (módulo de elasticidade) G = 78.850 MPa ≅ 788 tf/cm2 (módulo de elasticidade elasticidade transversal) ν = 0,3 (coeficiente de Poisson) β = 12 × 10−6 /°C (coeficiente de dilatação térmica) γ = 77 kN/m3 ≅ 7850 kgf/m3 (peso específico)
Observações: 1 kgf =9,8 N ≅ 10 N 1 kN = 100 kgf 1 MPa = 10 kgf/ cm 2 Dutilidade: Capacidade de se deformar sob a ação de cargas. Essencial para redistribuir os esforços internos na estrutura. Fragilidade: É o oposto da dutilidade. Pode ser provocada por baixas temperaturas, estado triaxial de tensões, soldas defeituosas. Resiliência: É a capacidade de absorver energia no estado elástico. Tenacidade: É a capacidade de absorver energia no estado inelástico. Dureza: Resistência ao risco ou abrasão. Fluência ou creep: Redução da resistência e do módulo de elasticidade em temperaturas elevadas Fadiga: Redução da resistência provocada por esforços repetidos. A resistência à fadiga é reduzida por soldas defeituosas, concentração de tensões, variações bruscas de seção. Corrosão: Reação química do aço com o oxigênio do meio ambiente (ar, água, solo). Pode ser combatida ou minimizada com elementos de liga, pintura, proteção catódica (no caso de estruturas enterradas ou submersas). Tensões residuais: Tensões causadas pelo resfriamento desigual da peça após o processo de fabricação.
1.9 Produtos siderúrgicos: As usinas produzem aços para utilização estrutural sob diversas formas: barras, chapas, perfis laminados, trilhos, tubos, fios trefilados, cordoalhas e cabos. I) Barras: são produtos nos quais duas dimensões (da seção transversal) são pequenas em relação à terceira (comprimento) e laminadas em seção circular, quadrada ou retangular alongada (barras chatas): 7
a) Barras redondas: com amplo número de bitolas, as barras redondas são usadas na confecção de chumbadores, parafusos e tirantes; Diâmetro φ(mm) 12,5 16,0 19,0 22,0 25,0 28,0 32,0 35,0 38,0 44,0 50,0 57,0 64,0 70,0 76,0 89,1 102,0 Tipo do aço BR - 190 MR - 250 AR - 290 AR - 345 AR - COR
Denominação baixa resistência media resistência alta resistência alta resistência alta resistência mecânica e corrosão
Peso(kg/m) 0,99 1,55 2,24 3,05 3,98 5,03 6,22 7,52 8,95 12,18 15,40 20,10 24,90 30,00 35,80 48,70 63,60
fy (MPa) fu (MPa) 190 330 250 400 290 415 345 450 345 485
Aço SAE - 1010 ASTM A36 ASTM A572 ASTM A572 SAC - 50 COS - AR - COR NIOCOR
b) Barras chatas: são usadas em guarda-corpo e são encontradas nas dimensões 38 x 48 (1 ½ x 3/16) a 304, 8 x 50,8 (12 ″ x 2″) e nos aços 1010 a 1020 e A36 (Tab. C-27, Bellei, 2 ª ed.) ed.);; c) Barras quadradas: são usadas como trilhos de pontes rolantes pequenas e são encontradas nas dimensões básicas básicas (de 50,8mm a 152mm) nos aços 1010/1020 e A36 (Tab. C-28, Bellei, 2 ª ed.) ed.).. II) Chapas: são produtos laminados em que uma dimensão (a espessura) é muito menor que as outras duas (largura e comprimento) e se dividem em chapas finas e grossas: a) Chapas finas a frio: são produtos com espessura-padrão de 0,30mm a 2,65mm fornecidas nas larguras-padrão de 1100mm, 1200mm, 1500mm, e nos comprimentos-padrão de 2000mm, 2500mm e 3000mm, e também sob a forma de bobinas (usados nas construções como complementos, sejam esquadrias, dobradiças, portas, batentes); 8
Espessura padrão(m m ) 0 . 30 0 . 33 0 . 45 0 . 60 0 . 75 0 . 85 0 . 90
Peso (kg / m ²) 2. 3 6 2. 9 8 3. 5 3 4. 7 1 5. 8 9 6. 6 7 7. 0 6
Espessura padrão(m m ) 1.06 1.20 1.50 1.70 1.90 2.25 2.65
Pe s o (kg / m ²) 8.32 9.42 11.78 13.35 14.92 17.66 20.88
b) Chapas finas a quente: espessuras-padrão de 1,20mm a 5,00mm fornecidas nas larguras-padrão de 1000mm, 1200mm, 1500mm e 1800mm e nos comprimentos-padrão de 2000mm, 3000mm e 6000mm e em bobinas (usados ( usados em perfis de chapas dobradas, para construção em estruturas metálicas leves);
MSG Nº # 18 # 16 # 14 # 13 # 12 # 11 # 10 #9 #8 #7 3/16 "
Espessura padrão padrão (mm) 1.2 1.5 2.0 2.3 2.7 3,00 ( 1/8'' ) 3.4 3.8 4.3 4.5 4.8 5.0
Peso kg / m² 9.4 11.8 15.7 17.7 20.8 23.6 26.3 29.4 33.4 35.3 37.3 39.2
Obs.: MSG – U. S. Manufacture’s Standard Gauge c) Chapas grossas: espessuras-padrão de 6,3mm a 102mm fornecidas em diversas larguras-padrão de 1000mm a 3800mm e nos comprimentos-padrão de 6000mm e 12000mm (usados nas construções de estruturas metálicas, principalmente para a formação de perfis soldados para trabalhar como vigas, colunas, e estacas);
Eepessura (pol) 1/4" 5/16" 3/8" 1/2" 5/8" 3/4" 7/8" 1"
Espessura (mm) 6.3 8.0 9.5 12.5 16.0 19.0 22.4 25.0
Peso (kg / m²) 49.46 62.80 74.58 98.13 125.60 149.15 175.84 196.25
Espessura (mm) 37.5 45.0 50.0 57.0 63.0 75.0 102.0
Peso (kg / m²) 294.38 353.25 392.50 447.44 494.55 588.75 800.70
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d) Chapas zincadas: produtos com espessura-padrão de 0,25mm a 1,95mm, fornecidos nas larguras padrão de 1000mm e nos comprimentos-padrão comprimentos-padrão de 2000mm e 3000mm, e também em bobinas (usados como elementos complementares nas construções, sejam telhas para cobertura e tapamentos laterais, calhas, rufos, caixilhos, dutos de ar condicionado, divisórias, etc.) III) Perfis laminados: laminados: são produtos obtidos diretamente diretamente por meio da lâmina Perfis laminados estruturais da série americana:
a)
Tipo: perfil H (bf ≅ d) Dimensões: d = 152 mm Designação: H de 152 x 37,1; perfil H com d = 152 mm e peso = 37,1 kg / m (Tab. A6.1, W. Pfeil, 7 ª ed.)
b)
Tipo: perfil I Dimensões: d = 76 a 305 mm Designação: I de 152 x 18,5; perfil I com d = 152 mm e peso = 18,5 kg / m (Tab. A6.2, W. Pfeil, 7 ª ed.) 10
c)
Tipo: perfil U ou C Dimensões: d = 76 a 381 mm Designação: U de 203 x 17,1; perfil U com d – 203 mm e peso = 17,1 kg / m (Tab. A6.3, W. Pfeil, 7 ª ed.)
d)
Tipo: cantoneira de abas desiguais Dimensões: a x b = 89 x 64 a 203 x 102 mm t = 6 a 25 mm Designação: L de 102 x 76 x 7,9; cantoneira de abas desiguais com a = 102, b = 76 e t = 7,9mm (Tab. A6.5, W. Pfeil, 7 ª ed.)
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e)
Tipo: cantoneira de abas iguais Dimensões: a = 25 a 203 mm t = 3 a 25 mm Designação: L de 50 x 6,3; cantoneira de abas iguais com a = 50 mm e t = 6,3 mm (Tab. A6.4, W. Pfeil, 7 ª ed.)
IV) Perfis soldados: dada a grande versatilidade de combinações de espessuras com alturas e larguras, os perfis soldados, compostos a partir de três chapas, são largamente empregadas nas estruturas metálicas. Série padronizada: padronizada: Série CS para colunas (com d/b f =1): (Tab. A8.1, W. Pfeil, 7 ª ed.) Série CVS para colunas e vigas (com 1< d/b f < 1,5): (Tab. A8.2, W. Pfeil, 7 ª ed.) Série VS para vigas (com 2< d/b f < 4): (Tab. A8.3, W. Pfeil, 7 ª ed.)
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