Desenh estrut apostila03(texto)estrmetalic

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Desenh estrut apostila03(texto)estrmetalic

  1. 1. CAPÍTULO 3 ESTRUTURA METÁLICA Prof. Dr. Joaquim Marins Neto3.1 GENERALIDADES Os metais podem ser encontrados: - no estado nativo (geralmente puros): ouro, platina, prata, cobre, mercúrio. - na forma de óxidos, sulfetos, sulfatos: sulfato de cobre (Cu2S): Calcisina extração do cobre; óxido de alumínio (Al2O3): bauxita extração do alumínio. Os minérios de ferro apresentam-se sob a forma de carbonatos (siderita – CO3Fe), óxidos(magnetitas – FeO4) e sulfetos (piritas – SFe). O ferro é o metal de maior aplicação na indústria da construção devido ao seu elevadomódulo de resistência. É usado puro ou em ligas na armação de vigas, trilhos, esquadrias,condutores, grades, etc. A liga é obtida através da combinação do ferro e do carbono (Fe-C). Osprodutos mais importantes, provenientes dessa combinação, são os aços e os ferros fundidos, quediferem pelo teor de carbono. Aço teor de carbono até 1,7%; Ferro fundido teor de carbono acima de 1,7%.
  2. 2. Desenho de Estruturas Estrutura metálica Atualmente, os maiores produtores mundiais de ferro são: Brasil, Austrália, Rússia, Françae Suécia. O aço é um produto siderúrgico obtido por via líquida com teor de carbono inferior a 1,7%.Ele pode ser obtido diretamente do minério pela redução direta, ou descarbonatando-se o gusalíquido, através do sopro de oxigênio. O ferro gusa é o ferro obtido diretamente do alto-forno,sendo impuro, com alto teor de carbono. Saído do forno, o aço é levado até as lingoteiras (moldes)que faz o metal tomar a forma de blocos prismáticos. alto forno sopro de oxigênio moldesMinério de ferro Ferro gusa Descarbonatação Aço Lingotes - impuro - blocos prismáticos - alto teor de carbono Os lingotes apresentam muitos defeitos como segregação, fissuras, bolhas, etc. Essesdefeitos desaparecem na etapa de moldagem. É usual a classificação do aço pelo seu teor de carbono, assim temos: Aços extradoces < 0,15 % carbono Aços doces 0,15 a 0,30 % carbono Aços meio-doces 0,30 a 0,40 % carbono Aços meio-duros 0,40 a 0,60 % carbono Aços duros 0,60 a 0,70 % carbono Aços extraduros > 0,70 % carbono.Variação do teor de carbono Variação: - Dureza / Resistência 30
  3. 3. Desenho de Estruturas Estrutura metálicaa) Moldagem do aço Para fios, barras e chapas são usados os processos de extrusão, laminagem e trefilamento.- Extrusão: o lingote é refundido e forçado a passar (em estado líquido), sob pressão, por orifícioscom a forma desejada, e esfriado;- Laminação: o metal é forçado a passar entre cilindros giratórios com espaçamento cada vezmenor, podendo ser obtido chapas, barras redondas ou perfis especiais T, L, U, etc.;- Trefilamento (estiramento): o metal é forçado a passar por orifícios de moldagem, sendo umprocesso de moldagem a frio. A fundição é um processo de moldagem onde um modelo com a forma da peça desejada éfeito inicialmente e depois é colocado o material incandescente. O forjamento é um processo quese utiliza a ação de martelos ou prensas sobre o metal quente, para a moldagem desejada.b) Tratamento térmico dos aços O tratamento térmico dos aços, cuja finalidade é transmitir certas propriedades ao material,consiste em aquecer a uma determinada temperatura e depois esfriá-los, segundo certas regras,modificando essencialmente a sua microestrutura. Os principais tratamentos térmicos são:Normalização – consiste em aquecer o aço a uma temperatura acima da crítica (723o C)(formação da Austenita, formas dos cristais), espera-se a transformação total em austenita edeixa-se esfriar lentamente, ao ar livre. Serve para eliminar as tensões internas que aparecem nalaminação ou outras formas de moldagem.Recozimento – consiste em aquecer o aço a uma temperatura próxima da crítica, deixando-adurante algum tempo e deixa-se esfriar lentamente. (tensões que se originam na fundição)Têmpera – consiste em aquecer o aço até a temperatura de formação da austenita,permanecendo essa temperatura durante algum tempo e no subsequente resfriamento brusco.Para se resfriar rapidamente usa-se água, óleo ou jato de ar. (aumenta a dureza, o limite deelasticidade, a resistência a tração e diminui o alongamento e a tenacidade)Revenido – semelhante ao recozimento, é feito a temperatura abaixo da linha crítica, tendo afinalidade de corrigir defeitos aparecidos durante uma têmpera. (ex: excesso de dureza) 31
  4. 4. Desenho de Estruturas Estrutura metálicac) Tratamento termoquímico dos aços O tratamento termoquímico tem por finalidade enriquecer a camada superficial do aço comuma camada protetora onde apareçam outros elementos. Conforme a substância empregada setem uma propriedade: - Carbono (cementação): grande dureza e resistência ao desgaste; - nitrogênio (nitretação): dureza, resistência ao desgaste e a corrosão; - cromo (cromagem): resistência a corrosão, a dureza e ao desgaste; - alumínio (aluminização): eleva a resistência ao calor.d) Tratamento a frio (encruamento) dos aços O encruamento consiste em submeter o aço a esforços mecânicos que tendem a deformá-lo a frio, onde os grãos tendem a se orientar no sentido da deformação. O encruamento pode sersuperficial, como ocorre durante a laminação a frio, ou profundo, como os aços torcidos.e) Alguns materiais tratados- Aço inoxidável: liga de aço (0,15%), cromo (18%) e níquel (9%) – cromagem, zincagem,niquelagem resistência a corrosão.- Folha-de-flandes: é uma chapa fina de aço com as faces cobertas por leve camada de estanhopara não oxidar, vulgarmente chamada de lata ótima resistência aos agentes químicos, ótimasoldabilidade e boa aparência.- Chapas galvanizadas: chapa fina de aço com as faces cobertas de zinco, é feita imergindo-se achapa em um banho de zinco fundido é mais resistente que a folha-de-flandres. 32
  5. 5. Desenho de Estruturas Estrutura metálica3.2 O AÇO ESTRUTURAL A construção em estrutura de aço consiste na utilização de elementos resistentes de açocomo elementos da estrutura da construção. O conhecimento das propriedades e característicasdos aços é importante para a sua aplicação no campo da engenharia. As propriedades mecânicasdescrevem o comportamento dos aços quando sujeitos a esforços mecânicos e correspondem àspropriedades que determinam a sua capacidade de resistir e transmitir os esforços que lhes sãoaplicados, sem romper ou sem que ocorram deformações excessivas.3.2.1 COMPOSIÇÃO QUIMICA As composições químicas determinam muitas características importantes dos aços a seremaplicados em estruturas. Entre os principais elementos químicos presentes no aço, temos: a) Carbono (C) Aumentando o teor de carbono aumenta-se a resistência mecânica nos aços, atuando principalmente no limite de resistência. Porém, prejudica a ductilidade e a tenacidade. Teores elevados de carbono comprometem a soldabilidade e diminuem a resistência à corrosão atmosférica. b) Manganês (Mn) Aumentando o teor de manganês melhorara-se a resistência mecânica, aumentando principalmente o limite de escoamento e a resistência à fadiga. c) Silício (Si) Usado como desoxidante do aço, melhora a resistência mecânica (limite de escoamento e de resistência) e a resistência à corrosão. d) Fósforo (P) Aumenta o limite de resistência, melhora a resistência à corrosão e a dureza, prejudicando a ductilidade e a soldabilidade. e) Enxofre (S) E extremamente desfavorável aos aços, prejudica a ductilidade, em especial o dobramento transversal, e reduz a soldabilidade. 33
  6. 6. Desenho de Estruturas Estrutura metálica f) Cobre (Cu) Aumenta a resistência à corrosão atmosférica dos aços e a resistência à fadiga, mas reduzem a ductilidade, a tenacidade e soldabilidade. g) Níquel (Ni) Aumenta a resistência mecânica, a tenacidade e resistência à corrosão. Reduz a soldabilidade. h) Cromo (Cr) Aumenta a resistência mecânica à abrasão e à corrosão atmosférica. Reduz, porém, a soldabilidade. j) Titânio (Ti) Aumenta o limite de resistência, a resistência à abrasão e melhora o desempenho do aço a temperaturas elevadas.3.2.2 TIPOS DE AÇOS O aço é um composto de ferro (± 98%), carbono, silício, enxofre, fósforo, manganês, eoutros. O teor de carbono é o componente que mais afeta as propriedades do aço. Os aços utilizados em estruturas são divididos em dois grupos: aço carbono e aço de baixaliga.a) Aço-Carbono (Média Resistência Mecânica) O elemento ferro, não apresenta propriedades adequadas para o emprego industrial. Énecessário estar composto com outros elementos formando ligas. As ligas com predominância deferro são denominadas aço. O aço carbono é uma liga composta de aço e ferro, onde o aumento de resistência emrelação ao ferro puro é produzido pelo aumento de carbono e, em menor escala, pelo manganês. Em função do teor nominal de carbono, o aço-carbono pode ser dividido em: Baixo carbono: C ≤ 0,30% Médio carbono: 0,30% < C < 0,50% 34
  7. 7. Desenho de Estruturas Estrutura metálica Alto carbono: C ≥ 0,50% Aumentando o teor de carbono se reduz a ductilidade, o que acarreta problemas nasoldagem. A tabela a seguir apresenta as principais características e aplicações do aço-carbono: Resistência Classe Característica Aplicações MPa Pontes, edifícios, navios, Boa tenacidade, conformabilidade, Baixo Carbono < 440 caldeiras, tubos, estruturas Soldabilidade mecânicas Estruturas parafusadas de Médias conformabilidades, navios e vagões, tubos, Médio Carbono 440 a 590 soldabilidades estruturas mecânicas, implementos agrícolas Más conformabilidade e Peças mecânicas, Alto Carbono 590 a 780 soldabilidade, alta resistência ao implementos agrícolas, desgaste trilhos e rodas ferroviárias A tabela apresentada seguir mostra a resistência dos aços de acordo com a classificaçãoSAE. Tensão de Escoamento Mínima Tensão de ruptura mínimaAço SAE Laminado a quente Laminado a frio Laminado a quente Laminado a frio 1010 180 MPa 300 MPa 330 MPa 370 MPa 1020 210 MPa 350 MPa 380 MPa 420 MPa 1030 260 MPa 450 MPa 470 MPa 530 MPa 1040 290 MPa 490 MPa 530 MPa 590 MPa 1050 340 MPa 590 MPa 630 MPa 700 MPa 1060 370 MPa - 680 MPa -b) Aço de Baixa Liga (Média e alta Resistência Mecânica, Resistência à Corrosão) Aços com teor de carbono igual ou inferior a 0,25%, e com teor de elementos de ligainferior a 2,0% e com limite de escoamento igual ou superior a 300 MPa. Esses aços sãofabricados com baixo teor de carbono e com adições de elementos de liga, tais como níquel,molibdênio, cromo, titânio, nióbio, vanádio, cobre, zircônio, manganês e silício, em combinações e 35
  8. 8. Desenho de Estruturas Estrutura metálicaquantidades adequadas a se obter alta resistência, boa ductilidade, tenacidade, soldabilidade,resistência à corrosão e à abrasão. A utilização desse aço proporciona uma redução na espessuradas peças, se comparada ao aço-carbono, reduzindo o consumo e aproveitando melhor o material.• Aços Patináveis Os aços patináveis (aclimáveis) têm como principal característica a resistência à corrosãoatmosférica, superior à do aço-carbono convencional, conseguida pela adição de pequenasquantidades dos elementos de liga, como cobre, fósforo, cromo e silício. Quando expostos asparticularidades atmosféricas, desenvolvem uma camada compacta e aderente de óxido(ferrugem), em sua superfície, onde sais insolúveis bloqueiam os poros e fissuras, funcionandocomo proteção contra o prosseguimento da corrosão, possibilitando, a utilização desses aços semrevestimento. Essa proteção (pátina) é desenvolvida quando a superfície metálica é submetida aciclos alternados de umidade (chuva, nevoeiro, etc) e secagem (vento, sol). O tempo para aformação varia em função do tipo de atmosfera a que o aço está submetido, podendo variar de 1ano a 3 anos ( após um ano o material já apresenta uma coloração homogênea marrom-clara). Aço patinável Aço carbono Precisa-se verificar o desenvolvimento do óxido, para as estruturas construídas com açopatinável sem revestimento, pois, caso não ocorra a formação da pátina de forma compacta eaderente, é necessário a utilização de pintura. 36
  9. 9. Desenho de Estruturas Estrutura metálicaPrefeitura de Salvado UFOPAço sem revestimento Aço com pintura3.2.3 PROPRIEDADES DOS AÇOS• Tensão de escoamento elevada: pois esta é a propriedade que deve ser objeto do projeto, para que se possa prevenir deformação plástica generalizada dos componentes de aço. Nos aços com baixo teor de carbono, o diagrama tensão-deformação, apresenta o patamar indicativo do escoamento. Nos outros tipos esse intervalo não é apreciável; Diagrama tensão-deformação• Elasticidade: capacidade de voltar à forma original após sucessivos ciclos de carregamento (carga e descarga). A deformação elástica é reversível desaparecendo quando a tensão é removida. A relação entre a tensão e a deformação linear específica é o módulo de elasticidade que está relacionado com a sua rigidez;• Plasticidade: deformação permanente provocada por tensão igual ou superior ao limite de escoamento; 37
  10. 10. Desenho de Estruturas Estrutura metálica• Ductilidade: capacidade dos materiais de se deformar plasticamente sem se romper. Quanto mais dúctil o aço maior é o alongamento antes da ruptura. As vigas de aço dúcteis sofrem grandes deformações antes de se romper, constituindo um aviso da presença de tensões muito elevadas;• Fragilidade: oposto da ductilidade. O aço pode se tornar frágel pela ação de diversos fatores: baixas temperaturas, efeitos térmicos por solda elétrica, etc;• Tenacidade: capacidade que têm os materiais de absorver energia quando submetidos a carga de impacto, prevenindo a fratura rápida ou catastrófica das estruturas;• Dureza: resistência ao risco ou abrasão;• Fadiga: ruptura do material devido aos efeitos de esforços repetidos em grande número, a fadiga pode levar a acidentes graves principalmente no caso de pontes e peças que recebem vibração transmitida por máquinas, vento ou água.3.2.4 VANTAGENS E DESVANTAGENS DO AÇO UTILIZADO ESTRUTURASa) Vantagens Alta resistência aos esforços mecânicos: resistência aos esforços de tração, compressão, flexão, etc, com seções relativamente pequenas se comparadas com estruturas de concreto armado sendo mais leves e permitindo vencer grandes vãos; Padronização das dimensões e das propriedades dos materiais; Produção em fábricas: os elementos de aço são produzidos em fabricas especiais, o que garante maior qualidade aos elementos; Montagem mecanizada: permite diminuir o prazo final da construção, onde os elementos da estruturas podem ser montados no local da construção, ou já vir montado de fábrica; Reaproveitamento do material: o aço obtido em demolições pode ser reaproveitado. 38
  11. 11. Desenho de Estruturas Estrutura metálicab) Desvantagens Limitação das dimensões em função do transporte; Cuidados contra oxidação: necessidade de tratamento superficial contra oxidação causada pelo contato com o ar atmosférico; Mão-de-obra e equipamentos especializados para sua fabricação e montagem;3.2.5 PRODUTOS DE AÇO ESTRUTURAL UTILIZADOS NA CONSTRUÇÃO CIVIL• Chapas: As chapas se dividem em duas categorias: Chapas grossas: espessura maior ou igual a 4,76 mm (3/16”) Chapas finas: a espessura das chapas finas é fornecida em bitolas, sendo usual a bitola MSG: Bitola 9 10 11 12 13 14 15 16 Espessura 3,80 3,42 3,04 2,66 2,28 1,90 1,71 1,52 As chapas podem ser fornecidas com os bordos naturais de laminação (universais), semcantos vivos, ou com os bordos cortados na tesoura (aparadas). 39
  12. 12. Desenho de Estruturas Estrutura metálica• Perfis laminados: Os perfis podem possuir várias formas (H, I, [, L). Cantoneiras: a, b – aba t – espessura Perfil H ou duplo T: bf – largura mesa tf – espessura mesa tw – espessura alma h – altura alma d – altura perfil Perfil T: Perfil U: bf – largura mesa tf – espessura mesa tw – espessura alma h – altura alma b – aba t – espessura d – altura perfil 40
  13. 13. Desenho de Estruturas Estrutura metálica• Perfis dobrados (chapas dobradas): Perfil U Perfil U enrijecido Perfil cantoneira Perfil cartola Perfil Z Chapas trapezoidais• Perfis soldados: T soldado Duplo T soldado 41
  14. 14. Desenho de Estruturas Estrutura metálica• Conexões: 42
  15. 15. Desenho de Estruturas Estrutura metálica 43
  16. 16. Desenho de Estruturas Estrutura metálica3.2.6 FATORES QUE INFLUENCIAM O CUSTO DA ESTRUTURA - definição do sistema estrutural; - projeto e detalhamento dos elementos estruturais; - projeto e detalhe das conexões; - definição do processo de fabricação; - especificações para fabricação e montagem; - proteção à corrosão, fogo, etc; - sistema de montagem. A seguir é apresentado o custo geral de uma estrutura metálica: Projeto estrutural 1% – 3% Detalhamento 2% – 6% Material e insumos 25 – 50% Fabricação 20% – 40% Limpeza e pintura 8% – 20% Transporte 1% – 3% Montagem 20% – 30% 44
  17. 17. Desenho de Estruturas Estrutura metálica3.2.7 FASES NA CONSTRUÇÃO DE UMA OBRA COM ESTRUTURAS METÁLICAS - Projeto Arquitetônico; - Projeto Estrutural; - Detalhamento; - Fabricação; - Limpeza e proteção; - Transporte; - Montagem; - Controle de Qualidade; - Manutenção;3.2.8 EXEMPLOS DE ESTRUTURASPilares Coberturas 45
  18. 18. Desenho de Estruturas Estrutura metálicaVigas e treliças TorresPontes Ginásios 46
  19. 19. Desenho de Estruturas Estrutura metálica3.3 PRÉ-DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS METÁLICAS Os gráficos de pré-dimensionamento de sistemas estruturais apresentam nas abscissasvalores que correspondem a uma das variáveis, como vãos, quando se trata de vigas e treliças, ounúmero de pavimentos ou altura não travada, quando se trata de colunas. Nas ordenadas então osdados para pré-dimensionamento, como altura da seção, etc. Gráfico para pré-dimensionamento de vigas de aço 47
  20. 20. Desenho de Estruturas Estrutura metálica Gráfico para pré-dimensionamento de colunas de aço, único andar 48
  21. 21. Desenho de Estruturas Estrutura metálica Gráfico para pré-dimensionamento de colunas de aço, vários andares 49
  22. 22. Desenho de Estruturas Estrutura metálica Gráfico para pré-dimensionamento de treliças metálicas 50
  23. 23. Desenho de Estruturas Estrutura metálica Gráfico para pré-dimensionamento de treliças metálicas 51
  24. 24. Desenho de Estruturas Estrutura metálica Gráfico para pré-dimensionamento de treliças metálicas duas águas 52
  25. 25. Desenho de Estruturas Estrutura metálicaPLANTA ARQUITETÔNICA DA CONSTRUÇÃO 53
  26. 26. Desenho de Estruturas Estrutura metálicaESQUEMA GERAL DO PÓRTICO METÁLICO 54
  27. 27. Desenho de Estruturas Estrutura metálicaESQUEMA GERAL DO PÓRTICO METÁLICO – DETALHE 1 55
  28. 28. Desenho de Estruturas Estrutura metálicaESQUEMA GERAL DO TELHADO 56
  29. 29. Desenho de Estruturas Estrutura metálicaDETALHES 57
  30. 30. Desenho de Estruturas Estrutura metálicaDETALHES 58
  31. 31. Desenho de Estruturas Estrutura metálicaDETALHES 59

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