Perfil "I"

Academicas: Daniela Tonial Cattani e Marli van Riel
Professor: Zacarias Martin Chamberlain PraviaIntrodução


Tipos de aços estruturais:
Classificação: são classificados segunda a composição química, e são divididos em dois grupos: aços-carbonos e aços de baixa liga. Os dois podem receber tratamentos térmicos que modificam suas propriedades mecânicas.
Aço-carbono: São os tipos mais usados, possui alta resistência, principalmente se comparado ao aço puro. O acréscimo de carbono eleva sua resistência, porem diminuo a sua ductualidade. Os principais tipos desse aço segundo os padrões ASTM (American Society for Testing and Materials) e da norma alemã DIN são: ASTM A7, ASTMM A36, DIN St37, ASTM A307 (parafuso) ASTM A325 (parafuso).
Aços de baixa liga: São aços-carbonos acrescidos de elementos de liga (cromo columbio, cobre, manganês. Molibdenio, níquel, fósforo, vanádio, zircônio) aos quais melhoram algumas das propriedades mecânicas.
Alguns aços de baixa liga usados em estruturas são: ASTM A242, DIN St52, USI-SAC-350.
Aços com tratamento térmico: Tanto os aços carbonos como os aços de baixa liga podem receber tratamento térmico para aumentar sua resistência. A soldagem dos aços tratados termicamente é mais difícil, o que torna o seu emprego pouco usual nas estruturas correntes. Os parafusos de alta resistência utilizados como conectores são fabricados com aço de médio carbono sujeito a tratamento térmico (ASTM A325)
Estes aços são utilizados na fabricação de barras de aço para protensão e também parafusos de alta resistência.

Padronização ABNT:
Segundo especificações da EB558/NBR7007, os aços podem ser enquadrados nas seguintes categorias, designados a partir do limite de escoamento do aço:
MR250 aço de media resistência (fy = 250 MPa ;fu = 400 MPa)
AR290 aço de alta resistência (fy = 290 MPa ;fu = 415 MPa)
AR345 aço de alta resistência (fy = 345 MPa ;fu = 450 MPa)
AR-COR_345 A ou –B aço de alta resistência (fy = 345 MPa ;fu = 485 MPa) resistência a corrosão.
MR-250 correspondente ao aço ASTM A36

Propriedades do aço:

Constantes físicas do aço:
Modulo de deformação longiturinal ou modulo de elasticidade E = 205.000 Mpa
Coeficiente de Poisson υ= 0,3
Coeficiente de dilatação térmica β = 12 x 10-6 por ºC
Peso especifico: γ = 77 Kn/m³

Ductualidade: Capacidade de deformação sob a ação das cargas. A ductualidade pode ser medida pela deformação unitária residual após ruptura do material. Na figura abaixo, podes-se verificar que o aço A325 é menos dúctil que os aços A36 e A242, embora seja mais resistente, conforme pode ser observado na figura abaixo:

Fragilidade: É o oposto da ductualidade. Os aços podem se tornar frágeis pela ação de diversos agentes: baixa temperatura ambiente efeitos térmicos locais causados por soldas elétrica por exemplo. O estudo das condições em que os aços se tornam frágeis tem grande importância nas construções metálicas, uma vez que materiais frágeis se rompem bruscamente, sem aviso prévio.
O comportamento frágil é analisado sob o efeito de dois aspectos: iniciação da fratura e sua propagação. A iniciação ocorre quando uma tensão ou deformação unitária elevada se desenvolve num ponto onde o material perdeu ductualidade. A falta de ductualidade pode originar-se de temperaturas baixas, estado triaxial de tensão, efeito de encruamento, fragilidade por hidrogênio. Uma vez iniciada a fratura se propaga pelo material mesmo em tensões moderadas.

Resiliencia e Tenacidade: Estas duas propriedades se relacionam com a capacidade do metal de absorver energia mecânica. Resilencia é a capacidade de absorver energia em regime elástico, o que é equivalente capacidade de resistir energia mecânica absorvida. Tenacidade é a energia total elástica que o material pode absorver por unidade de volume ate a sua ruptura.

Dureza: É a resistência ao risco ou abrasão. Na pratica mede-se a dureza pela resistência que a superfície do material oferece a penetração de uma peça de maior dureza.

Efeito de Temperatura elevada: As temperaturas elevadas modificam as propriedades físicas dos aços. Temperaturas superiores a 100ºC tendem a eliminar o limite de escoamento bem definido, tornando o diagrama tensão x deformação arredondado.
As temperaturas elevadas reduzem as resistências a escoamento, ruptura, bem como modulo de elasticidade. Temperaturas acima de 250 a 300 ºprovocam também fluência nos aços.



Fadiga: A resistência a ruptura dos matérias, é em geral medida em ensaios estáticos. Quando as peças metálicas trabalham sob efeito de esforços repetidos em grande numero, pode haver ruptura em tensão inferiores obtidasem ensaios estáticos. Esse efeito denomina-se fadiga do material.
A resistência a fadiga é geralmente determinante no dimensionamento de peças sob ação de efeito dinâmicos importantes, tais como peças de máquinas, de pontes.
As normas brasileiras e americanas, verificam a resistência a fadiga pela flutuação de tensões elásticas, provocadas pelas cargas variáveis.


Corrosão: Denomina-se corrosão o processo de reação do aço com alguns elementos presentes no ambiente em que se encontra exposto, sendo o produto desta reação muito similar ao minério de ferro. A corrosão promove a perda de seção das pás de aço, podendo se constituir em causa principal de colapso. A proteção contra corrosão é usualmente feita por pintura ou por galvanização.

Produtos siderúrgicos estruturais:

Tipos de produtos estruturais:
As usinas produzem aços para utilização estrutural sob diversas formas: chapas, barras, perfis laminados, fios trefilados, cordoalhas e cabos.
Produtos laminados (barras, chapas, perfis):
Barras: são produtos laminados nos quais duas dimensões são pequenas em relação a terceira (seção circular, retangular, quadrada)
Chapas: as chapas são produtos laminados nas quais duas dimensões são muito menor que as outras duas (chapas grossas, chapas finas).
Perfil laminados:
São de grande influencia estrutural, em forma de: “H”, “I”, “C”, “L”.

Produtos siderúrgicos estruturais
Tipos de produtos estruturais
As usinas produzem aço para utilização estrutural sob diversas formas: chapas, barras, perfis laminados, fios refilados, cordoalhas e cabos.

Produtos laminados:
Os produtos laminados se classificam em barras, chapas e perfil.

Barras: São produtos laminados nos quais duas dimensões (da secção transversal) são pequenas em relação a terceira (comprimento).
As barras laminadas em seção circular, quadrada ou retangular alongada. Estas ultimas são chamadas de barras chatas.

Chapas: As chapas são produtos laminados, os quais uma dimensão (a espessura) é muito menos que as outras duas (largura e comprimento).
As chapas se dividem em duas categorias: chapas grossas (com espessura superior a 5,0 mm) e as chapas finas (com espessras entre (5,0 e 0,3 mm)

Perfis laminados: Os laminadores produzem perfis de grande eficiência estrutural em forma de H, I, C, L os quais denominado correntemente perfil laminados.
Os perfis H I e C são produzidos em grupos de altura h, constante e largura das abas variável. A variação da largura aumentando o espaçamento entre os rolos laminados de maneira que a espessura da alma tem variação igual a da largura das abas.
Já o perfil laminado pode ser designado pelas suas dimensões externas (altura ou altura x largura), seguidas de massa do perfil em Kg/m.


Tolerância de fabricação de produtos laminados: denomina-se tolerância de fabricação as variações admissíveis na geometria do produto decorrentes de fatores inerentes ao processo de fabricação, tais como: desgaste dos rolos laminadores; variação na regulagem dos rolos para cada passagem, principalmente a ultima, retração e empeno de aço durante o resfriamento.
A nb14 adota as tolerâncias relativas a curvatura do perfil, forma da seção planicidade e outras da norma americana ASTM A6.

Fios cordoalhas, cabos: Os fios ou arames são obtidos pro trefilação. Fabricam-se fios de aço doce e também de aço duro (aço de alto carbono).
S fios de aço duro são empregados em molas, cabos de protenção de estruturas etc.
As cordoalhas são formadas por três ou sete fios arrumados em forma de hélice. O modulo de elasticidade da cordoalha e quase tão elevado quanto o de uma arra maciça de aço (E=195.000 MPa).Os cabos de aço são muito flexíveis o que permite seu emprego em moitões para multiplicação de forças, entretanto o modulo de elasticidade é baixo, certa de 50% do modulo de uma barra maciça.

Perfil de chapa dobrada: As chapas metálicas de aço dúcteis podem ser dobradas a frio, transformando-se em perfil de chapas dobradas. A dobragem das chapas é feita em prensas especiais nas quais há gabaritos que limitam os raios internos de dobragem e certos valores mínimos, especificados para impedir a fissuração do aço na dobra.
O uso de chapas finas (3mm de espessura) na fabricação destes perfis, conduz a problemas de instabilidade estrutural não existentes em perfil laminados. Há uma grande variedade de perfis que podem ser fabricados, muitos com apenas um eixo de simetria ou nenhum, alguns simples outros mais complexos, como ilustrado na figura abaixo.




Ligação de peças metálicas

As peças metálicas estruturais são fabricadas com dimensões transversais limitadas pela capacidade dos laminadores e com comprimentos limitados pela capacidades dos veículos de transporte.
As estruturas de aço são formadas por associação de peças ligadas entre si. Os meios de unir as peças metálicas tem assim importância fundamental. Basicamente há dois tipos de ligação: por meio de conectores ou por solda.
Os conectores (rebites, parafusos) são colocados em furos que atravessam as peças a ligar. A ligação por solda consiste em fundir as partes em contato de modo a provocar coalecencia das mesmas.

Perfis fabricados e perfis compostos:

Os perfis são formados pela associação de chapas ou de perfis laminados simples, sendo a ligação em geral soldada.
A norma brasileira padronizou 3 séries de perfil soldado:
Perfil CS (coluna soldada)
Pervil VS (viga soldada)
Perfil CVS (colunas e vigas soldadas)
As características geométricas dos perfis soldados padronizados CS, VS, CVS podem ser vistas na tabela anexa.


Tensões residuais e diagrama tensão deformação de perfis simples ou composto em aços com patamar de escoamento.

Os diagramas indicados na figura 1.12 (já esta no trabalho) correspondem aos resultados de ensaios de tração em amostras do material em foram de barras chatas ou redondas. Verificamos nesta figura que para aços com patamares de escoamento o material segue a Lei de Hooke praticamente até o limite de escoamento.
Os perfis, quer laminados simples, quer compostos pro solda apresentam tensões residuais internas decorrentes de resfriamentos desiguais em suas diversas partes. Nos perfis laminados, após a laminação ou partes mais expostas dos perfis (borda de flanges e região central da alma) ser 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 junto aos cordões de solda.


Tabela de propriedade mecânica de aos (perfil laminados o soldados)
Tipos de aço f el (MPa) f y (MPa)
MR250 200 250
AR345 280 345


As tensões residuais conduzem a um diagrama tensão deformação do aço em perfil no qual a transição do regime elástico para o patamar de escoamento é mais gradual, como indicado na figura abaixo.


Método do calculo
Projeto estrutural e normas:
Os objetivos de um projeto estrutural são:
Garantia de segurança estrutural evitando-se o colapso da estrutura.
Garantia de bom desempenho da estrutura evitando-se a ocorrência de grandes deslocamentos, vibrações, danos locais.

Método das tensões admissíveis.
O dimensionamento utilizando tensões admissíveis se originou dos desenvolvimentos da Resistência dos Materiais em regime elástico.Neste método o dimensionamento é considerado satisfatório quando a máxima tensão solicitante (T) em cada seção é inferior a uma tensão resistente reduzida por coeficiente de esgurança (y).

A tensão resistente é calculada considerando-se que a estrutura pode atingir uma das seguintes condições limites:
Tensão de escoamento
Instabilidade
Fadiga

No caso de elemento estrutural submetido a flexao simples sem flambagem lateral, a tensao resistente é tomada igual a tensao de escoamento fy, o que corresponde ao inicio de plastifivação da seção, e a equação de conformidade da estrutura é expressa por.


Os esforços solicitantes, a partir dos quais se calcula a tensão máxima, obtidos através de analise em regime elástico da estrutura para cargas em serviço.

O coeficiente de segurança traduz o reconhecimento de que existem diversas fontes de incerteza na esquacao de conformidade.
Alem de verificações de resistência são também necessárias verificações quanto a possibilidade e excessivas deformações sob cargas de serviço.


Método dos estados limites.
Um estado limite ocorre sempre que a estrutura deixa de satisfazer um de seus objetivos.
Eles podem ser divididos em: estados limites últimos;
Estados limites de utilização.

Os estados limites últimos estão associados a ocorrência de cagas excessivas e conseqüentemente colapso da estrutura devido a:
Perda de equilíbrio do corpo rígido
Ruptura de uma ligação ou seção.
Instabilidade em regime elástico ou não

Os estados limites de serviço incluem:
Deformação excessiva
Vibrações excessivas.

Para facilitar tal calculo, desenvolvemos uma tabela automatica, conforme imagens abaixo: