Matec 1b

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Matec 1b

  1. 1. Estruturas Metálicas Arqº Renato Carrieri Eng° Bruno Ribeiro
  2. 2. IntroduçãoBreve História. CronologiaO processo de fabricaçãoPropriedades mecânicasComponentes e tipologias de perfisPreparação de superfícieUtilização de revestimentos em estruturas metálicasOrganização do sistema estrutural em açoJustificativa para o uso do açoComparativo dos materiais estruturaisVantagens na utilização da Estrutura MetálicaDesvantagens na utilização da Estrutura MetálicaDetalhes recomendados para projeto
  3. 3. IntroduçãoEste é um assunto aparentemente complexo, pelo fato de envolver leis físicas equacionadas pela matemática eaplicadas ao projeto de edifícios, e ainda por cima envolvendo elementos pré fabricados produzidos pelaindústria, e utilizados na construção civil.Porém, embora pareça complicado, no final acaba restrito ao trinômio projeto de arquitetura - indústria daconstrução - mercado consumidor, e vencida a barreira do preconceito e a falta de conhecimento, segue osprincípios básicos da engenharia estrutural submissa às leis da física, e acima de tudo inclina-se sem a menorsombra de dúvida, à lógica e ao bom senso que devem prevalecer, no momento em que um Arquiteto se dirigeà sua prancheta para o desempenho de sua tarefa : projetar edifícios...A escolha de um sistema estrutural seja de aço, concreto ou madeira, visando o equacionamento e resoluçãoda problemática imposta pelo programa arquitetônico, envolve um sem número de questões que abrangem alegislação específica de Municipío e Estado, variáveis culturais e econômicas ligadas aos investidores, etc.De modo que a decisão em torno da escolha da estrutura metálica como sistema estrutural deuma edificação, deve ser consciente e totalmente desvinculada de modismos passageiros, fruto da reflexão emtorno das questões acima e do conhecimento das vantagens que a mesma possa oferecer, tendo em vista osobjetivos principais: qualidade no projeto e conseqüentemente na obra – prazos ajustados às necessidades doinvestidor – custos reduzidos.
  4. 4. TABELAS COMPARATIVA DE SISTEMAS CONSTRUTIVOS Custo m2 Prazo de execução Fundação Manutenção• Concreto Armado R$ 960.00 Depende da MO Medianamente carregada Esporádica• Aço R$ 1.050.00 Rápido Aliviada Periódica• Pré moldado Concreto R$ 800.00 Rápido Carregada Esporádica
  5. 5. BREVE HISTÓRIA
  6. 6. Processos construtivos. Evolução ao longo da história demonstrada por gráfico. Os materiais disponíveis na antiguidade eram a argila matéria prima do adobe , a pedra e a madeira.
  7. 7. O uso dos metais iniciou-se por volta de 4000 a.C. na Mesopotâmia e Egito. O metal conhecido mais antigo éo cobre, que, juntamente com o bronze foi utilizado desde os primórdios da civilização para a fabricação deutensílios e armas substituindo a pedra e a madeira. A partir de uma determinada época, o ferro passou a sertambém utilizado, substituindo o bronze por volta de 1.200 a.C. no nordeste e sudeste da Europa.Talvez a 1ª fusão tenha acontecido acidentalmente, quando uma fogueira cercada de blocos de pedra comveios de cobre derreteu o metal.Po volta de 1500 a.C. o homem começou a moldar o cobre derretido em formas de barro, fabricandoutensílios rudimentares como machados, pontas de lança etc.O bronze, uma liga metálica mais dura do que o cobre, formada pela associação deste com o estanho, surgiuno Egito em 3000 a.C. possibilitando a manufatura de armas e utensílios bem mais eficientes.A utilização do ferro só aconteceu muito tempo depois, também na fabricação de utensílios, objetos de arte earmas de guerra. Porém a obtenção do metal através da fusão do minério, se deu por volta de 1200 a.C. e odescoberta do processo se deve aos Hititas, povo que habitava a região hoje ocupada pela Síria.Da idade do ferro até a idade média, o mesmo era produzido em fornalhas, e sua forma era resultado dotrabalho manual.Por volta de 1700, Abraham Darby utilizou pela 1ª vez o coque, resíduo sólido componente da hulha,combustível mineral de alto poder calorífico, em substituição ao carvão vegetal, dando início à produção doferro em larga escala. A metalurgia definiu então processos de extração e manufatura dos metais,contribuindo para o avanço da técnica construtiva, incipiente até então devido á pouca resistência dosmateriais utilizados. Porém, somente após a invenção da máquina a vapor em 1765, (J. Watt) é que asgrandes siderúrgicas desenvolveram-se mais rapidamente.Em 1786 Cort inventa o laminador para fabricação de perfis e de chapas de ferro.
  8. 8. A multiplicação da produção do carvão e do ferro e a invenção do laminador de chapas e trilhos, tornoupossível a construção das primeiras ferrovias, responsáveis diretas pelo aumento da produção industrial, epelo transporte a longa distância da matéria prima industrializada. Viabilizou também a invenção doelevador em 1853, [ responsável : Elisha G. Otis ] que iria possibilitar o nascimento da Escola de Chicagonos Estados Unidos, dando início à construção dos arranha céus modernos.Chicago depois da quase completa destruição pelo incêndio de 1871, com a construção das primeirasferrovias transformou-se em um dos maiores mercados mundiais, consumidor de trigo, máquinas eferramentas. Para suprir o rápido crescimento da cidade, a única forma de satisfazer as exigências domercado era a verticalização das construções, e para tanto, a invenção do elevador e a utilização daestrutura metálica na construção dos primeiros edifícios altos estabeleceram as diretrizes fundamentais doseventos que se seguiram.Em 1801 o ferro laminado foi utilizado pela 1ª vez na articulação viga x pilar na Fiação Phillip & LeeNa cidade de Stanford – InglaterraEm 1856 Sir Henry Bessemer Engº inglês envolvido em pesquisas relacionadas com a produção de artefatosbélicos, havia descoberto e desenvolvido o processo de fabricação do aço, que a partir de 1890 substituiriao ferro como material estrutural.O processo consiste em insuflar ar em um recipiente chamado conversor, contendo o metal líquidoconhecido como ferro gusa. A injeção do jato de ar elimina quase todo o carbono, convertendo dessaforma o ferro gusa em aço. Portanto, o aço pode ser descrito como uma liga metálica com baixos teores decarbono [ em torno de 0,002% variando até 2,00% ] Dessa data em diante, a produção foi aperfeiçoada,incorporando-se à liga outros metais como manganês, cromo, níquel, vanádio etc. constituindo a classe dosaços especiais, de uso característico do século XX.No Brasil, na era Vargas teve início o processo de industrialização. Em 1930 Getúlio cria o Ministério doTrabalho Indústria e Comércio, e em 1931 a Comissão Nacional de Siderurgia.
  9. 9. Em 1932 foi instituída a carteira profissional como documento obrigatório para registro dos contratos detrabalho, e em 1939, já no Estado Novo, é instituída a Justiça do Trabalho.Em 1941, com financiamento de vinte milhões de dólares do Eximbank, começou a construção da Usina deVolta Redonda no Estado do RJ.Em 1957 durante o Governo JK, foi lançado o primeiro automóvel nacional, o DKW Vemag.Privatizada em 1993, a CSN produz hoje seis milhões de ton. de aço/ano.A Cosipa iniciou suas atividades em 1963, sendo privatizada 30 anos depois. Produz dois milhões e meio detoneladas/ano.A Usiminas foi fundada em 1954 em BH. Privatizada em 1991, sua produção gira em torno de quatro milhõese meia de toneladas/ano.A Cia. Siderúrgica de Tubarão no ES iniciou suas operações em 1983. Privatizada em 1992, é a maiorprodutora mundial de placas de aço com quatro milhões e meio de toneladas/ano.A Açominas, hoje também privatizada, começou a operar em 1986, produzindo atualmente três milhões detoneladas anuais.Até 1980 o Brasil importava aço; a partir de 2001 somos o 8º produtor mundial com vinte e sete milhões detoneladas/ano.O aço, hoje, é um dos sistemas construtivos indutores do processo de racionalização da construção,contribuindo para a mudança de mentalidade em relação à construção civil no Brasil, onde ainda predomina oprocesso produtivo artesanal, caracterizado pela lentidão, baixa produtividade e grandes desperdícios.
  10. 10. CRONOLOGIA DAS OBRAS
  11. 11. COALBROOKEDALE BRIDGE RIO SEVERN - INGLATERRA Thomas Farnoll & John Wilkinson. 1777 Ponte de ferro em arco. Vão = 30m.
  12. 12. 1850 Joseph Louis LambotDiz o eminente Professor Augusto Carlos de Vasconcelos em seu livro “O Concreto noBrasil”, que “a idéia de associar barras metálicas à pedra ou argamassa com afinalidade de aumentar a resistência às solicitações de serviço remonta ao tempo dosromanos”.Prossegue o Professor Vasconcelos, afirmando que “O Engenheiro Francês JosephLouis Lambot efetuou em 1850 as primeiras experiências práticas de introdução deferragens em uma massa de concreto”. Antes disso, J.Aspdin havia obtido em 1824 apatente da produção do cimento na cidade de Portland na Inglaterra.O interessante é que a primeira conseqüência direta da aplicação dos experimentos deLambot foi um barco, conforme o texto original do Autor, visto que o papel da malhametálica seria “o de segurar a argamassa no lugar, dispensando o uso de moldescomplicados e dispendiosos”.
  13. 13. Data 1850Evento Construção da 1ª estrutura em concreto armado: um barcoResponsável J. Lambot
  14. 14. Prosseguindo em seu relato, Vasconcelos relata o curiosíssimo fato que deu impulso àdescoberta de Lambot:Tentando comercializar o invento, Lambot decidiu exibi-lo na Exposição Universal de Paris.Muito embora não tendo obtido o reconhecimento imediato do público, seu inventoinesperadamente acabou por despertar a atenção de um comerciante de plantas ornamentaischamado Joseph Monier .Este, através de um agudo senso prático resolveu substituir as caixas de madeira utilizadascomo recipiente de terra úmida, pelo novo material naturalmente muito mais resistente à águado que a madeira.E durante muito tempo Monier produziu e comercializou recipientes de cimento armadochegando a desistir da sua atividade principal, até que ao registrar a patente daquilo que faziaacabou sendo considerado como o criador do Concreto Armado. Porém, um detalhesignificativo é que tanto Lambot quanto Monier associavam o processo de fabricação deelementos de cimento armado com a sua utilização em contato com a água.Por exemplo, Monier fabricava vasos, caixas d’água, tubos para encanamentos etc.
  15. 15. BIBLIOTÈQUE ST. GENEVIÈVE - 1843-1850 - PARIS H. Labrouste1ª obra pública em ferro forjado projetada por Arquiteto.
  16. 16. PALÁCIO DE CRISTAL - 1850-1851 - LONDRES Joseph PaxtonPeças pré fabricadas de ferro. Abrigou a 1ª Exposição Mundial da História, a Exposição Internacional de Londres, com 71.793 m2.
  17. 17. GALLERIA VITTORIO EMANUELE - 1867-77 - MILANO Giuseppe Mengoni Abóbada de berço em ferro fundido e vidro
  18. 18. Brooklyn Bridge 1869 - 1883Johann August Roebling (1806 - 1869)
  19. 19. HOME INSURANCE BUILDING -1885 - 1931(demolido) - Chicago Engº Willian Le Baron Jenney
  20. 20. TORRE EIFFEL [ 320.75 m. ] Engº. Gustav EiffelTorre construída para a Exposição Internacional de Paris. 1889
  21. 21. GALERIA DAS MÁQUINAS - PARISData 1889Tipologia Estrutura articulada de arcos plenos, vencendo vão de 115m com 423m de comprimento e 45m de altura. 1ª obra em que o aço foi utilizado como material estrutural em uma construção desse porte.Autores C. Dutert e V. Contamin
  22. 22. FORTH BRIDGE - 1890 - ESCÓCIA Benjamin Baker e John Fowler 1ª Ponte em aço do mundo!Comprimento total: 2.460 m. Altura das torres: 100 m.
  23. 23. 25 BIS-RUE FRANKLIN - 1903 - PARIS Auguste Perret1º edifício em concreto armado do mundo.
  24. 24. VIADUTO SANTA EFIGÊNIA 1913 G. Michele & G.Chiappori. Estrutura : Acièries d’AngleurEstrutura fabricada na Bélgica com 3 arcos tri articulados em aço. Vãos de 51 m. entre apoios e flecha de 7.5 m. [relação entre L/7e L/8]. Tabuleiro superior com 5 vãos independentes de 225 m. de comprimento total e largura de 13.60. Os 4 arcos paralelos sãoformados por vigas curvas de secção caixão em aço laminado rebitado.Montantes verticais apoiam - se nos arcos mantendo 3,6 m. de distância entre si, interligados por uma longarina longitudinal comtravamento transversal, além dos contraventamentos verticais e horizontais. A obra em estilo Art-nouveau, foi inaugurada peloPrefeito Raymundo Duprat.Fonte : Revista de Engenharia. 1912.
  25. 25. Passarela Debilly sobre o Rio Sena, Paris. Engºs. Jean Résal & Amédée Alby. Ingénieur enchef des ponts et chaussées.Inaugurada em 26.10.1898 e transformada em monumento histórico em 18.04.1966, leva onome do Gal. Jean Louis Debilly, morto na batalha dIéna em 1806.
  26. 26. EMPIRE STATE - 1931SHREVE, LAMB AND HARMON
  27. 27. EMPIRE STATE - 1931 -EUA Shreve, Lamb & Harmon
  28. 28. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E SAÚDE 1936 - RJ. MARCO 1 DO MOV. MODERNO NO BRLúcio Costa, Oscar Niemeyer, Carlos Leão, Jorge Moreira, Affonso E. Reidy e Ernani Vasconcellos
  29. 29. EDICÍCIO GARAGEM AMÉRICA -Av. 23 de Maio São Paulo - 1957.Arq. Rino LeviCálculo : Eng°. Paulo FragosoEstrutura metálica utilizada pela 1ª vez na construção de um Edifíciode múltiplos pavimentos no Brasil
  30. 30. EDIFÍCIO PALÁCIO DO COMÉRCIO - 1959Local : R. 24 de Maio esq. com R. Conselheiro Crispiniano - SPArquitetura : Lucjan KorngoldCálculo : Paulo Fragoso
  31. 31. WORLD TRADE CENTER - NEW YORK - 1966 - 77Arqº MINORU YAMAZAKIEstrutura:Skilling, Helle & Jackson
  32. 32. JOHN HANCOCK CENTER - CHICAGO - 1970BRUCE GRAHAM / SOM
  33. 33. INSTITUTO CULTURAL ITAÚ - 1992Local : Av. Paulista,149 - Paraíso - SP Arquitetura :Ernest Robert de Carvalho Mange, Ricardo BelpiedeCálculo : Jorge Zaven Kurkdjian
  34. 34. Resumo dos fatos mais importantes relacionados ao uso dos metais• Início do uso dos metais (cobre) 4000 a.C.• O surgimento do bronze (cobre + estanho) 3000 a.C.• Utilização do minério de ferro 1700 a.C.• Obtenção do ferro por fundição com adição do coque e início da produção em larga escala 1720• Invenção da Máquina a Vapor [início da Revolução Industrial] 1765• Coalbrookedale Bridge – Ponte em arco com 30m. de vão. 1777• Invenção do laminador para produção de chapas 1786• Fiação Phillip & Lee: ferro laminado usado p / 1ª vez na articulação viga x pilar 1801• Obtenção da patente de produção do cimento 1824• Laminação dos primeiros trilhos de trem 1830• Bibliothèque St. Geneviève : 1ª obra em ferro projetada por Arquiteto 1850• Palácio de Cristal : 1ª Exposição Mundial da História 1851• Construção das primeiras Estações ferroviárias em Londres 1852• Construção dos primeiros elevadores mecânicos 1853• Arcos treliçados de ferro laminado apoiados em colunas de ferro fundido, sustentando uma cúpula com clarabóia (Bibliothèque Nationale) 1855• Descoberta do processo de fabricação do aço 1856
  35. 35. • Abóbada de berço em ferro fundido e vidro (Galeria Vittorio Emanuele) 1877• Ponte do Brooklyn com 487 m. de vão 1883• Carnegie Steel Company começa a produzir vigas de aço laminado em substituição às vigas de ferro 1885• Torre Eiffel : Exposição Internacional de Paris 1889• Galeria das Máquinas : 1ª obra que utilizou o aço como material estrutural 1889• Forthbridge : 1ª ponte em aço do mundo com duplo balanço treliçado e 521 m de vão! 1890• Estação da Luz [ São Paulo ] 1901• Construção do 1º edifício em concreto armado : Edifício da Rua Franklyn 1903• Teatro José de Alencar [ Fortaleza ] 1910• Viaduto Santa Ifigênia SP 1913• No Brasil Vargas cria a Comissão Nacional de Siderurgia 1931• Construção Conjunto da Pampulha 1940• Usina de Volta Redonda 1941• Edifício Sede do Ministério da Educação início do movimento moderno no Brasil 1943• Lançamento do 1º automóvel nacional : DKV Vemag 1957• Edifício Gargem América : estrutura metálica utilizada pela 1ª vez em em edifícios de múltiplos andares em SP 1957• Brasil importador de aço até 1980• Brasil, 8º produtor de aço do mundo (27 milhões toneladas / ano) 2001
  36. 36. O processo de fabricaçãoO aço utilizado na construção civil é uma liga metálica que combina minério de ferro epequenas quantidades de carbono (de 0,18 até 0,25%).Sua fabricação implica na necessidade da eliminação das impurezas contidas na liga.Seu processo de fabricação passa pelas etapas seguintes:a. Preparação das matérias primas (minério de ferro e carvão mineral).b. Produção de gusa em alto forno. Ferro gusa é o produto da fusão do minério para fins de eliminação de resíduos eimpurezas. É a matéria prima principal para fabricação do aço.c. Produção do aço na Aciaria. Ao sair da Aciaria, o aço é transformado em lingotes e enviado para a laminação, ondesão transformados em placas e posteriormente em chapas grossas (6 a 150mm) ebobinas (2 a 13 mm).Em resumo:A - Preparo das matérias primas.B - Produção de gusa.C - Produção de aço.D - Laminação.
  37. 37. Aços especiaisAço comum ASTMAços especiais Cos-ar-cor COSIPA Cortain CSN SAC UsiminasAços patináveis são aqueles que devido à presença do cobre cromo e níquel na suacomposição, apresentam uma camada ferruginosa depositada em sua superfície. Apresença dos cobre, cromo e níquel favorece a aderência da camada protetora. Nãosão adequados entretanto para utilização em ambientes agressivos como aquelessituados em regiões litorâneas.Neste caso convém utilizar os aços galvanizados. [ Galvanização = imersão em Zinco]
  38. 38. 1 PortoPelo Porto da COSIPA, que tem capacidade de movimentação de 12 milhões de toneladaspor ano, chegam o carvão mineral vindo de diversos países do mundo, o minério de ferroproveniente de Carajás e é por onde são embarcados os produtos siderúrgicos destinadosao mercado externo.
  39. 39. 2 Complexo FerroviárioPor via ferroviária a COSIPA é abastecida, principalmente, de minério de ferro provenientede diversas empresas mineradora, e de todas as outras matérias primas necessárias àprodução do aço, como fundentes e escorificantes.3 Pátios de Matérias PrimasAqui o minério de ferro e o carvão mineral são estocados e posteriormentehomogeneizados, peneirados e bitolados para uso na coqueria e nos altos fornos.
  40. 40. 4 SinterizaçãoDepois de homogeneizados e peneirados, tanto os finos de minério de ferro como os finosde carvão são processados criando um aglomerado, chamado de sínter, que vai compor acarga dos alto fornos juntamente com o minério e o coque.5 CoqueriaNesta fase o carvão mineral é cozido em fornos especiais para retirada dos componentesmais voláteis, transformando-se em coque que é o combustível dos altos fornos.
  41. 41. 6 Alto Forno Volume Interno Capacidade (Mt/ano) Alto Forno Nº 1 1.829 m3 1.54 Mt Alto Forno Nº 2 3.180 m3 2.85 MtNeste equipamento, o minério de ferro (Fe2O3) sofre um processo químico de redução,através do carbono presente no coque, resultando no ferro gusa líquido, que é a matériaprima da aciaria.
  42. 42. 7 AciariaAqui o ferro gusa sofre um processo de modificação de composição química, com reduçãodo teor de carbono, através da injeção de oxigênio, e adição de ferro-ligas, como omanganês e outros elementos como alumínio ou silício; transformando-se em aço. O açoainda pode ser refinado através da injeção de cálcio-silício, da desgaseificação a vácuo ede tratamento secundário no forno panela, de acordo com as especificações de norma ouexigências do cliente. Uma vez pronto, o aço é moldado em placas que serãoposteriormente laminadas ou exportadas como semi-acabados. LINGOTAMENTO CONTÍNUO CAPACIDADE (Mt/ANO) 3 Conversores 4.50 4 Máquinas de Lingotamento Contínuo 4.30
  43. 43. 8 Conversor 9 Forno Panela10 Injetora de Cálcio Silício11 Desgaseificação12 Lingotamento Contínuo13 Placas / Laminação de Chapas Grossas
  44. 44. Laminação de Chapas Grossas Laminador de Chapas grossas CARACTERÍSTICAS CAPACIDADE (Kt/ANO) Laminador Duo-Reversível 1.000No Laminador de Chapas Grossas, as placas vindas da aciaria são reaquecidas elaminadas, num processo caracterizado por diversas passadas pelo laminador , atéque seja atingida a espessura e largura desejadas.Depois de laminada, a chapa grossa passa pela desempenadeira a quente o que lheconfere melhor planicidade, e esfria ao ar no pátio de estocagem.Já na temperatura ambiente, passa na tesoura para ser aparada nas dimensões finaise depois recebe a marcação por pintura e puncionamento.Quando requerido, as chapas grossas podem ainda ser inspecionadas no ultra-somon-line, o que garante que seu interior esteja livre de defeitos.
  45. 45. 14 Forno de Placas15 Laminador de Chapas Grossas16 Desempenadeira a Quente17 Linha de Tesouras18 Ultra-som “On Line”
  46. 46. 19 Forno de Tratamento20 Chapas Grossas / Laminação de Tiras a Quente
  47. 47. Laminação a Quente Laminador de tiras a quente CARACTERÍSTICAS CAPACIDADE (Kt/ANO) Laminador Quádruo-Contínuo – 6 cadeiras 2.100Na laminação a quente, as placas são reaquecidas e depois pré processadas nos doislaminadores esboçadores antes de entrar no Laminador de Tiras a Quente, onde o esboçoé laminado seqüencialmente por um conjunto de seis cadeiras laminadoras, formandouma longa tira, que é depois enrolada numa bobina. Ainda na linha de laminação aquente, as bobinas a quente podem ser decapadas, para remoção do óxido superficial, oupassar no laminador de acabamento, onde recebem um passe de laminação para obteruma superfície mais uniforme. As bobinas podem ser cortadas na linha de tesouras,transformando-se em chapas, de acordo com a necessidade do cliente.
  48. 48. 21 Forno de Placas22 Laminadores Esboçadores23 Laminador de Tiras a Quente24 Bobinadeiras
  49. 49. 25 Laminador de Acabamento26 Bobinas a Quente27 Tesoura a Quente28 Chapas a Quente / Laminação de Tiras a Frio
  50. 50. Laminação a Frio Laminador de tiras a frio CARACTERÍSTICAS CAPACIDADE (Kt/ANO) Laminador Quádruo-Contínuo – 4 cadeiras 1.200As bobinas a quente vindas do processo de decapagem, são aqui laminadas a frio (àtemperatura ambiente) num laminador de quatro cadeiras que serão depois recozidase passarão pelo laminador de encruamento para obter propriedades mecânicasadequadas à aplicação final desejada.As bobinas podem também ser cortadas em chapas na linha de tesouras, conformeespecificação do cliente.
  51. 51. 29 DecapagemNa Decapagem as bobinas a quente passam por um tratamento superficial de limpezados óxidos de laminação, que são retirados por um processo químico à base de ácidonítrico. O material resultante é a matéria prima para a laminação de tiras a frio, oupode ser vendido para aplicações específicas, como a relaminação.
  52. 52. 30 Laminador de Tiras a Frio31 Fornos de Recozimento32 Laminador de Encruamento
  53. 53. 33 Linhas de Inspeção34 Bobinas a Frio35 Linha de Tesouras a Frio36 Chapas Finas a Frio
  54. 54. Propriedades Mecânicas - Lei de HookeAntes de abordar questões ligadas às deformações dos corpos, torna-se necessárioestudar alguns conceitos relativos às propriedades mecânicas dos sólidos:Uma característica básica do material que interessa a arquitetos e engenheiros é aquantidade de alteração ou de deformação que um material sofre quando submetidoa carga. Todos os materiais são mais ou menos resistentes às deformações, naproporção da quantidade de esforço induzido dentro de certos limites. Isso significaque, dobrando o esforço induzido sobre um elemento, produzir-se-á o dobro dadeformação.Inversamente, reduzindo à metade o esforço sobre um elemento produzir-se-á ametade da deformação. Poderíamos então dizer que os esforços e as deformaçõessão diretamente proporcionais um ao outro, ou que, a deformação é proporcionalao esforço aplicado.Essa é a outra maneira de dizer que dentro dos limites proporcionais, os elementosretornarão a seus estados originais depois que as cargas tiverem sido removidas.Se os materiais não tivessem essa propriedade elástica, períodos sucessivos decarga induziriam deformações adicionais que ao longo do tempo causariaminevitavelmente uma falha estrutural.
  55. 55. Experiência com materiais que possibilitam a visualização de resultados.Pegue um elástico de borracha desses comprados em papelaria, corte-o com umcomprimento de 10 cm e faça várias experiências de tração, mas sem forçá-lo muito.Depois disso meça-o outra vez. A nova medida deverá ser muito próxima dos 10 cminiciais. Isso indica que estivemos fazendo experiências dentro do campo elástico;enquanto o esforço é baixo, cessada a força cessa a deformação e a peça volta a tero comprimento original de 10 cm. Tal situação é denominada situação elástica.Com cuidado para não rompê-lo, procure forçá-lo mais, até sentir que está quaserompendo. Meça o novo comprimento. Você notará que, mesmo não estandodistendido, o elástico tem agora quase 11 cm.Aumente agora significativamente a força de tração, e você notará que algo começaa acontecer com a peça. Ela “esgarçou”, ou seja, cessada a força, o comprimento dapeça tem algo como 12 cm. Essa diferença de 2 cm é uma deformação permanente.Chamaremos a essa deformação de deformação plástica (situação plástica).Podemos concluir que, atingindo-se o limite de elasticidade do material, inicia-se oregime plástico, quando ocorre deformação permanente causada por tensõescontínuas superiores ao limite de escoamento.
  56. 56. Escoamento é quando ocorrem deformações permanentes sem variação detensão. O fenômeno oposto denomina-se elasticidade : deformação quedesaparece quando a tensão é suprimida ( regime elástico ). A fase plásticaaltera a estrutura interna do material.Por que estudar as deformações nas estruturas?Eis as razões:• Ter critérios para limitar as deformações nas estruturas em trabalho. (Daria paraaceitar uma trave no gol que tivesse flecha (barriga), no seu ponto médio, de 20cm?)• Desenvolver teorias que permitam resolver estruturas; sem esse recurso, seusesforços ficariam desconhecidos.Fonte: BOTELHO, Manoel H. C. Resistência dos Materiais para entender e gostar. São Paulo: Studio Nobel, 1998. p.42 a 46.
  57. 57. Materiais dúcteis e frágeis:Sobre os materiais, diz-se que aqueles capazes de sofrer grandes deformaçõesantes de chegar ao ponto de ruptura, são considerados materiais dúcteis.O aço apresenta deformações permanentes antes de romper-se.Concreto vidro e madeira rompem-se sem apresentar o patamar deescoamento. São chamados de materiais frágeis, pois entram em colapso semprévio aviso.Algumas vezes temos interesse só nas deformações elásticas como no caso douso das balanças de molas. Cessado o esforço cessa a deformação.Se restassem deformações residuais (plásticas), a balança ficaria descalibrada.Em outros casos desejamos deformações plásticas (permanentes), poissão elas que permitem a execução de utensílios do nosso dia a dia.Por exemplo, o grampo do grampeador.
  58. 58. Sinta a ductilidade do aço.Lembre: ductilidade é a capacidade de produzir deformações permanentessem se romper; para provar isso usemos um grampeador de escritório.Grampeie várias folhas de papel. Note que o grampo cuja forma anterior erade U se deforma. Veja:O grampo, uma estrutura de aço, deformou-se permanentementetransformando-se em outra prática estrutura utilizada para prender ospapéis.Fonte: BOTELHO, Manoel H. C. Resistência dos Materiais para entender e gostar. São Paulo: Studio Nobel, 1998. p.52.
  59. 59. Deformação linear:Admitindo-se que ocorrendo deformações por exemplo em uma barra retilínea,seu comprimento será alterado. A relação entre o alongamento e o comprimentooriginal, constitui uma grandeza chamada deformação linear representada pelaletra ε.Exercício:
  60. 60. Diagrama tensão deformação:Medindo-se os percentuais de aumento do comprimento da barra em função doaumento progressivo da carga inicial até a ruptura, e sabendo que o quociente entrea carga aplicada e a secção inicial da barra é chamado de σ, é possível determinara função que os relaciona, e representá-la graficamente da forma seguinte:O diagrama dos materiais onde a função que representa a relação entre tensão edeformação é linear, foi apresentado por Robert Hooke em 1678 e é conhecida porLei de Hooke.
  61. 61. A mesma poderá ser traduzida em linguagem mais corriqueira, da forma seguinte:“Um mesmo corpo sofrendo tração, terá uma deformação ΔL/L, e se a forçadobrar a deformação dobrará.”A relação entre σ e ε denomina-se Módulo de Elasticidade ou de deformaçãolongitudinal do material sob tração, e é conhecida também como Módulo de Young.Importante lembrar que quanto menor a deformação, maior o módulo deelasticidade.O módulo de elasticidade representa-se pela letra E e sua unidade é kgf/cm²( kN/ m2 = kPa ).Exemplificando: E = σ/ε
  62. 62. Propriedades MecânicasLimite de proporcionalidade:A tensão correspondente ao ponto P recebe o nome de limite de proporcionalidadee representa o valor máximo da tensão abaixo do qual o material obedece a Lei deHooke.Limite de elasticidade:Muito próximo a P existe um ponto na curva que corresponde ao limite deelasticidade.Ele representa a tensão máxima que pode ser aplicada à barra sem que apareçamdeformações, após a retirada da carga externa.Limite de escoamento:A tensão correspondente ao ponto Y tem o nome de limite de escoamento.Quando se atinge o limite diz-se que o material passa a escoar-se.Limite de resistência:A tensão correspondente à maior tensão atingida no ensaio recebe o nome de limitede resistência à tração. Ponto u no gráfico.
  63. 63. Limite de ruptura:A tensão correspondente ao ponto B recebe o nome de limite de ruptura. É a quecorresponde à ruptura do corpo de prova.Quando se adota no cálculo de σ a seção real da barra, e não a inicial, obtem-seo ponto B´ no final do trecho tracejado.Região elástica:O trecho da curva tensão deformação compreendido entre a origem e o limite deproporcionalidade recebe o nome de região elástica.Região plástica:Chama-se região plástica o trecho do diagrama compreendido entre o limite deproporcionalidade e o ponto correspondente à ruptura do material
  64. 64. É importante para o Arquiteto conhecer a natureza dos materiais e suaspropriedades de deformação para definir a estrutura, visto que aqueles quepossuem maior módulo de elasticidade são mais dúcteis, como comprova atabela:O aço é dúctil, portanto, capaz de se alongar desde que sujeito a um esforço detração, sem que haja rompimento; também tem grande capacidade de resistênciaa impactos antes de entrar em colapso. Essa característica é denominadatenacidade.Material Módulo de elasticidade (kgf/cm2)Aço 2.100.000Ferro 1.000.000Alumínio 700.000Madeira de 80.000 a 140.000Madeira compensada 40.000Couro 2.000Borracha 10Por razões didáticas, o módulo de deformabilidade deveria chamar-se módulo denão-deformabilidade, pois o material de maior módulo tem menordeformabilidade.Fonte: BOTELHO, Manoel H. C. Resistência dos Materiais para entender e gostar. São Paulo: Studio Nobel, 1998. p.48.
  65. 65. Vigas biapoiadas com carga concentrada no meio do vão Carga Concentrada P = 360kgf 1,5 1,5 RA = P : 2 RB = P : 2 M=Pxl:4Cálculo da flechaf = 1 . P. L³ 48 E.I P = carga total L = vão E = módulo de elasticidade I = momento de inércia
  66. 66. Componentes e tipologias de perfis / utilizações mais freqüentes: Os componentes em geral podem ser classificados quanto à sua forma, do modo seguinte: Perfis, tubos, barras, chapas, ou mais especificamente:• Perfis ( pilares e vigas )• Lajes• Vedações• Conexões• Barras submetidas à torção (tubulares)• Barras de treliças planas e espaciais• Composição de pilares• Terças para sustentação de telhas de cobertura• Vigas• Pilares• Estacas de fundação
  67. 67. Perfis fabricados a frio.São resultantes do dobramento das chapas a frio PERFIL "U" PERFIL "U" CANTONEIRAS SIMPLES ENRIJECIDO DE ABAS IGUAISComposição de perfis dobrados SOLDAPerfis TubularesSão aqueles extrudados ou obtidos pelo processo de corte e costura por soldagem.
  68. 68. Perfis SoldadosObtidos pelo corte e soldagem de chapas deaço, proporcionando uma diversidade muitogrande de desenhos das secções. PERFIL "H" SOLDADOPerfis LaminadosExistem vários tipos de perfis laminados nomercado. O processo de produção é o dalaminação, em cilindros capazes de dar formadefinitiva à peça, após uma sucessão deoperações tal e qual em uma linha de CANTONEIRA DEmontagem. ABAS IGUAIS PERFIL "I"A forma dos perfis “I” é ideal para absorveresforços de flexão, dada a distância das mesas aoseu centro de gravidade.O perfil “H” diferencia-se do perfil “I” porapresentar abas de largura igual à sua altura. Por PERFIL "U"apresentar boa rigidez em 2 direções, são ideais PERFIL "H"para pilares submetidos à flexo compressão.
  69. 69. Composição de perfisPodemos compor a seção transversal do pilares e até das vigas, assim como associarperfis com chapas de aço PERFIS LAMINADOS REFORÇADOS PERFIS LAMINADOS SIMPLES
  70. 70. Perfis CS coluna soldada B=H PilaresPerfis VS viga soldada B=½H VigasPerfis CVS colunas e vigas soldadas B= 2/3 H Vigas e pilaresT
  71. 71. Recomendações:Não utilizar perfil U na horizontal com abas para cima, pois pode sofrer flexão porcompressão da mesa. Melhor utilizá-lo nas barras superiores e inferiores das treliças.Os perfis VS trabalham bem quando associados a lajes de concreto.Os perfis tubulares com ou sem costura são ideais para pilares, e quando de seçãopequena, para barras de treliças espaciais.
  72. 72. Estruturas Metálicas Arqº Renato Carrieri Eng° Bruno Ribeiro
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