Estruturas Metálicas: Revisão Completa e Otimizada

Revisão – Estruturas Metálicas

Notas Importantes:

• Histórico da Siderurgia na Construção: O primeiro material utilizado foi o ferro fundido, empregado nos séculos XVIII e XIX em pontes em arco e treliçadas (primeira ponte: Inglaterra, 1779). Devido à sua boa resistência à corrosão, muitas construções permanecem em bom estado.

As formas mais comuns de metais ferrosos são o aço (PRINCIPAL), o ferro fundido e o ferro forjado.

As resistências à ruptura por tração ou compressão dos aços utilizados em estruturas são iguais, variando amplamente, desde 300 MPa até valores acima de 1200 MPa.

Objetivos de um Projeto Estrutural:

1. Garantia de segurança estrutural, evitando o colapso da estrutura.
   1. Garantia de bom desempenho da estrutura, evitando grandes deslocamentos, vibrações e danos locais.

Fases do Projeto: Anteprojeto, Dimensionamento e Detalhamento.

O Método dos Estados Limites considera as incertezas de forma mais racional do que o Método das Tensões Admissíveis, além de considerar as reservas de resistência após o início da plastificação.

• As peças tracionadas são empregadas nas estruturas sob diversas formas: tirantes ou pendurais; contraventamentos de torres (estais); travejamentos de vigas ou colunas; tirantes de vigas armadas; barras tracionadas de treliças.

Fabricação do Aço:

A partir do refinamento do ferro fundido e adição de elementos de liga para produzir o aço especificado.

• Principal forma: na produção de ferro fundido no alto-forno e posterior refinamento em aço no conversor de oxigênio;
• Ou: fundir sucata de ferro em forno elétrico;
• Os processos utilizados na fabricação do aço que chega ao mercado seguem a seguinte ordem:

1. ALTO FORNO: O produto do alto-forno chama-se ferro GUSA (liga de ferro com alto teor de carbono e diversas impurezas).
2. CONVERSOR DE OXIGÊNIO: Consiste em remover o excesso de carbono (a partir da injeção de oxigênio) e reduzir a quantidade de impurezas, resultando em aço de qualidade uniforme.
3. TRATAMENTO DE AÇO NA PANELA: Efervescentes; Capeados; Semi-acalmados e Acalmados.
4. LINGOTEAMENTO: O aço sai da panela e vai para os lingotes (permite a confecção de blocos).
5. LINGOTEAMENTO CONTÍNUO: Os tarugos são cortados em segmentos de acordo com a necessidade.
6. LAMINAÇÃO: Produz chapas e perfis laminados; os tarugos passam várias vezes por rolos.
7. TRATAMENTO TÉRMICO: Melhora as propriedades dos aços (ex: reduzir tensões internas e alteração da resistência).

Tipos de Aços Estruturais:

Segundo a composição química, os aços utilizados em estruturas são divididos em dois grupos:

• Aços Carbono (MAIS USADOS): Contêm teores normais de elementos residuais. Em estruturas usuais de aço, utilizam-se aços com baixos teores de carbono, que podem ser soldados sem preocupações especiais.

• Aços de Baixa Liga: São aços-carbono acrescidos de elementos de liga ou apresentando altos elementos residuais, alterando suas propriedades mecânicas.

1. Tratamento térmico (pode ser feito nos 2 tipos): Aumenta a resistência mecânica, mas a soldagem em aços tratados é mais difícil, por isso é pouco usual em estruturas correntes.

Propriedades dos Aços:

Constantes Físicas do Aço: Módulo de deformação longitudinal, Coeficiente de Poisson, Coeficiente de dilatação térmica, Massa Específica.

Ductilidade: Capacidade do material de deformar sob a ação das cargas. Os aços dúcteis conseguem redistribuir as tensões, depois de tensões locais elevadas.

Fragilidade: Oposto da ductilidade. O aço frágil facilmente se rompe (em função da temperatura, por ex.).

Resiliência: Capacidade do aço em absorver energia mecânica elástica.

Tenacidade: Capacidade do aço em absorver energia mecânica elástica e plástica.

Dureza: Resistência do aço ao risco ou abrasão (medida pelo teste do diamante, por ex.).

Efeito de Temperatura Elevada: Altas temperaturas alteram as propriedades dos aços (reduzem escoamento, ruptura e elasticidade): T>100° torna o escoamento indefinido; 250° a 300° gera a fluência dos aços.

Fadiga: Quando ocorre o rompimento do aço em função de esforços cíclicos (ex: máquinas e pontes).

Corrosão: Quando o aço reage com os elementos do ambiente em que ele está exposto.

Tipos de Produtos Estruturais:

LAMINADOS: Chapas (grossas e finas); Barras (circular, quadrada, retangular); Perfis (“L”, “U”, “I”).

TREFILADOS: Fios; Cordoalhas e Cabos.

DOBRADOS: Chapas finas.

SOLDADOS

Ligações de Peças Metálicas:

CONECTORES: Rebites, parafusos;

SOLDAS: Consiste em fundir as partes;

Vantagens e Desvantagens do Aço:

VANTAGENS:

• Resistência Mecânica;
• Ductilidade dos perfis formados a frio;
• Facilidade de intervenções futuras na obra;
• Material totalmente reciclável;
• Melhor organização do canteiro de obra;
• Maior racionalização da mão de obra.

DESVANTAGENS:

• Especialização da mão de obra;
• Alto custo do tratamento à corrosão;
• Dificuldade em executar ligações;
• Baixíssimo isolamento térmico e acústico;
• Alta influência da temperatura no comportamento dos aços.

Sistemas Estruturais em Aço:

• Elementos Estruturais:

HASTES OU BARRAS: (Tirantes, Colunas ou escoras, Vigas, Eixos) Elementos alongados cujas dimensões transversais são pequenas em relação ao comprimento.

PLACAS OU CHAPAS: (Ligações; Apoios; Enrijecimento de perfis; Chapas de transpasse) Elementos de espessura pequena em relação à largura e ao comprimento.

• Sistemas Planos de Elementos Lineares: TRELIÇAS; GRELHA PLANA; PÓRTICOS (combinações dos principais elementos lineares (tirantes, colunas, vigas)).
• Tipos de Ligações:

LIGAÇÕES RÍGIDAS: (Soldas) Impede completamente a rotação relativa entre a viga e o pilar.

LIGAÇÕES ROTULADAS: (Pinos) Deixa livre a rotação relativa φ entre viga-pilar.

Exercícios do Livro:

Unidade 1:

1.12.1 O carbono aumenta a resistência do aço. Por que durante o processo de fabricação do aço remove-se uma certa quantidade de carbono do ferro fundido?

O carbono aumenta a resistência do aço, porém o torna mais frágil. Os aços com baixo teor de carbono têm menor resistência à tração, porém são mais dúcteis, o que é um requisito dos aços para estrutura. Além disso, aços com baixo teor de carbono podem ser soldados sem precauções especiais.

Observação: O teor de carbono pode variar desde 0,008% até 2,11%.

1.12.2 Quais os objetivos de adicionar elementos de liga (cobre, manganês, molibdênio etc.) aos aços-carbono para compor os aços de baixa liga?

Melhorar as características físicas e mecânicas do material (boa ductilidade, homogeneidade e soldabilidade e elevada relação entre a tensão resistente e a de escoamento). A resistência à corrosão é também importante, só sendo, entretanto, alcançada com pequenas adições de cobre.

1.12.3 Explique o que é ductilidade e qual a importância desta característica do aço em sua utilização em estruturas.

É a “capacidade de se deformar” que o aço possui. A elevada ductilidade dificulta a soldagem.

1.12.4 Uma haste de aço sujeita a cargas cíclicas tem sua resistência determinada por fadiga. Comente as providências propostas no sentido de aumentar a resistência da peça: NÃO FIZ!

- aumentar as dimensões transversais da haste;

- mudar o tipo de aço para outro mais resistente;

- mudar o detalhe de solda para atenuar o efeito de concentração de tensões.

1.12.5 Quais os procedimentos de proteção da estrutura de aço contra corrosão?

A proteção é usualmente feita por pintura ou por galvanização. A adição de cobre na composição química do aço aumenta sua resistência à corrosão atmosférica. No projeto, evitar pontos de umidade e sujeira, promover a drenagem e aeração e evitar pontos inacessíveis à manutenção e pintura e evitar o contato entre metais diferentes (por exemplo, aço e alumínio), intercalando entre eles um isolante elétrico.

Observação: A pintura depende dos procedimentos adotados para sua execução nas etapas de limpeza das superfícies, especificação da tinta e sua aplicação. Em geral, as peças metálicas recebem uma ou duas demãos de tinta de fundo (primer) após a limpeza e antes de se iniciar a fabricação em oficina, e posteriormente são aplicadas uma ou duas demãos da tinta de acabamento. A galvanização consiste na adição, por imersão, de uma camada de zinco às superfícies de aço, após a adequada limpeza das mesmas. Com adição de cobre, O aço resistente à corrosão, ao ser exposto ao ar, desenvolve uma película (pátina) produzida pela própria corrosão, que se transforma em uma barreira reduzindo a evolução do processo.

1.12.6 Qual o objetivo do contraventamento no plano da cobertura em viga treliçada de um galpão industrial?

Oferecer rigidez na direção longitudinal ao conjunto e para absorver as cargas de vento atuando nas fachadas transversais e transferi-las às fundações. Por exemplo, o contraventamento no plano ela cobertura é essencial para a estabilidade lateral do banzo superior da treliça, comprimido por ação das cargas gravitacionais. A flambagem desses elementos comprimidos pode se dar no plano horizontal (ou plano da cobertura) e o contraventamento neste plano serve para reduzir os seus comprimentos de flambagem e, portanto, para aumentar suas resistências à compressão. As terças atuam neste si sistema transferindo as forças de contenção lateral para o treliçado do contraventamento. No caso em que há predominância da sucção de vento na cobertura sobre as cargas gravitacionais, ocorre inversão ele esforços internos nos elementos da treliça, e o banzo inferior passa a sofrer compressão.

Observação: A estrutura com ligações viga-pilar tlexíveis só é estável para ação de cargas verticais. Para resistir às ações horizontais, os pilares funcionam isolados (sem ação de pórtico); por isso deve-se associar uma subestrutura com grande rigidez à flexão, denominada contraventamento, que pode ser composta de uma ou mais paredes diafragmas, também denominadas paredes de cisalhamento (em geral disposta no entorno da caixa de escada), ou uma subestrutura treliçada. As ligações flexíveis são mais simples de serem instaladas e têm menor custo em relação às ligações rígidas. Por outro lado, a necessidade de incluir as subestruturas de contraventamento.

1.12.7 Qual a origem das tensões residuais em perfis laminados e em perfis soldados?

Em ambos os casos, as tensões residuais internas são decorrentes de resfriamentos desiguais em suas diversas partes.

• Nos perfis laminados, após a laminação, as partes mais expostas dos perfis (bordas dos flanges e região central da alma) se resfriam mais rápido que as áreas menos expostas (juntas alma-flange), sendo por elas impedidas de se contrair. Na fase final do resfriamento as áreas mais expostas já resfriadas impedem a contração das juntas alma-flange. Tensões residuais longitudinais se instalam em decorrência do impedimento à deformação de origem térmica.
• Nos perfis soldados, as regiões de alta temperatura se desenvolvem localmente junto aos cordões de solda.

1.12.8 Em que se baseia o Método das Tensões Admissíveis e quais são as suas limitações?

O dimensionamento é considerado satisfatório quando a máxima tensão solicitante em cada seção é inferior a uma tensão resistente reduzida por um coeficiente de segurança. O Método das Tensões Admissíveis possui as seguintes limitações:

a) Utiliza-se de um único coeficiente de segurança para expressar todas as incertezas, independentemente de sua origem. Por exemplo, em geral a incerteza quanto a um valor especificado de carga de peso próprio é menor do que a incerteza associada a uma carga proveniente do uso da estrutura.

b) Em sua origem o método previa a análise estrutural em regime elástico com o limite de resistência associado ao início de plastificação da seção mais solicitada. Não se consideravam reservas de resistência existentes após o início da plastificação, nem a redistribuição de momentos fletores causada pela plastificação de uma ou mais seções de estrutura hiperestática.

1.12.9 Defina os termos Sd, Rd, y1 e y, da Eq. ( 1 .9).

Sd = Solicitação de Projeto

Rd = Resistência de Projeto

Ƴf = Coeficente de majoração de cargas

Ƴm = Coeficente de redução de cargas

Unidade 2:

2.4.1 Que estados limites podem ser atingidos por uma peça tracionada? CHUTE!

• Ruptura da seção com furos;
• Escoamento generalizado da barra ao longo de seu comprimento, provocando deformações exageradas.

2.4.2 Por que o escoamento da seção líquida de uma peça tracionada com furos não é considerado um estado limite?

Porque o escoamento da seção com furos conduz a um pequeno alongamento da peça e não constitui um estado limite.

2.4.3 Por que as normas impõem limites superiores ao índice de esbeltez de peças tracionadas?

Com a finalidade de reduzir efeitos vibratórios provocados por impactos, ventos etc.

 Questão da prova

1. Considere uma diagonal de uma treliça sujeita aos esforços normais de tração oriundos das seguintes ações.
2. Peso próprio : Ng = 90 kn
3. Carga de Vento: Nv = 23 kn
4. Sobrecarga de utilização: Nq = 160 kn

a-) Determinar o esforço solicitante de projeto para combinação normal de ações.

b-) Dimensionar um Perfil U e sua Ligação parafusada com uma chapa “ Gusset”, Capazes de suportar o esforço solicitante ( considere o espaçamento mínimo entre a extremidade do perfil ao primeiro parafuso igual a 3d)

a-) Fd =

 Tabela 1.5

Peso Próprio x

 = 1,25

Vento x

 = 1,4

Utilização x

 = 1,5   

Variáveis tabela 1.6  =

1º combinação vento como principal

Nd = 337 KN

2º Combinação utilização como principal

Nd = 372 KN

3º passo

Tabela 1.7

a1 = 1,10

 = 1,35

 ≤

Qual o tamanho do parafuso ?

Qual material do parafuso?

Se eu escolher tal tamanho quantos são necessários?

Escolhi parafuso ½” (12,7mm)

 =

 = 126,67 = 127 mm

 =

 =  / 100 para transformer em KN15,6 KN

 = 24 Parafusos

Φ ¾” 

 = 286,52  = 287 mm

Rd = 35,1 KN

Hmin = 4 x 3d = 4 x 3 x 19 = 228 mm

Ag = 29 cm²

Xo = 6,1 mm

XG = 1,61 cm

An = 2900 – [  3 (19 + 3,5) x 6,1]

An = 2488 mm²

Anef = 2488 x 0,9

Anef = 2239,42 mm²

 = 664 KN  > Nd ok verifica

 = 359 KN / Nd

 = 3099 mm²

 = 2138 mm²

 6,1 = 500 mm²

 ≤

Rd = 528 KN ≤ 492 KN ok Verifica

A = 63,5 -

 = 53,25 > 2d

 =

Rd = 82,4 KN

Parafusos Internos

A = 63,5 –

       = 43 mm > 2d

Rd = 82,4 KN

Total Rd = 3+9 x 82,4 = 989 KN