Engenharia
FACULDADE ASSIS GURGACZ CURSO DE ENGENHARIA CIVIL ESTRUTURAS METÁLICAS ESTRUTURAS METALICAS Prof. Giovano Palma Aluno: CASCAVEL, fevereiro de 2007. 1 Processo Siderúrgico O aço pode ser definido como uma liga metálica composta principalmente de fer (0,002% até 2%, send ue PACE 1 e com to view de resistência e ducti fabricação do aço em dades de carbono il o teor fica entre , sobretudo o processo de Preparo das matérias-primas (coqueria e sinterização); Produção do gusa (alto-forno); Produção do aço (aciaria); Conformação mecânica (laminação). Figura 1 – Processo Siderúrgico
Em estruturas metálicas são empregadas ligas ferro-carbono, geralmente denominadas açoscarbono de baixa liga. Esses aços contém, pequenos teores de manganês e silício; são comercializados com base em sua resistência mecânica e não necessitam, em geral, de nenhum tratamento térmico após a laminação. 1 . 1 Aço, Ferro Gusa, Ferro Fundido Ferro Gusa —é o produto da 1 a fusão do minério de ferro e dos teores de carbono, silício e enxofre. 2 1 . 2 Matérias-primas para a obtenção do aço são necessárias basicamente 2 matérias- primas: o minério de ferro e o carvão mineral.
Os mesmos, nao são encontrados puros, sendo necessário um preparo prévio com o objetivo de aumentar a eficiência de operação do alto-forno e da aciaria, bem como reduzir o consumo de energia. Figura 2 – Matérias-Primas Coqueria – é a eliminação das impurezas do carvão mineral. Carvão Mineral – utilizado nos alto-fornos, deve fornecer energia térmica e química necessária ao processo de produção do gusa e ainda assegurar uma permeabilidade adequada ao alto- forno. Sinterização – é a preparação do minério de ferro para a produção do gusa.
Consiste na aglomeração das partículas ( pois s finos e minério são indesejáveis para o processo de obtenção do gusa, devendo ser aglutinados antes do início do processo), resultando no sínter, que possui dimensão superior a 5mm de diâmetro médio. 1. 3 Alto-porno O principio básico de operação de um alto-forno é a retirada do oxigênio do minério, que assim é reduzido a ferro. Esta redução é resultante da combinação do carbono presente no coque com o oxigênio do minério em uma reação exotérmica.
Simultaneamente, a combustão do carvão com o oxigênio do ar fornece calor para fundir o metal reduzido. O ar necessário ara queima do coque é previamente aquecido e injetado sob pressão através das ventaneiras. Ao entrar em contato com o ar quente (10000 C), o coque entra em combustão, gerando calor e reduzindo o minério de ferro dando origem ao ferro-gus 13 coque entra em combustão, gerando calor e reduzindo o minério de ferro, dando origem ao ferro-gusa e a escória. A temperatura no interior do alto-forno chega a 15000 C.
Figura 3 – Alto-forno O gusa líquido é vazado nos carros-torpedo que passam por uma estação de dessulfuração, em que o enxofre é reduzido a teores aceitáveis, segundo então a aciaria. 1 . 4 Aciaria Tem por finalidade transformar o ferro-gusa em aço (refino). Esta operação é feita em um conversor, por meio de injeção de oxigênio pro, sob alta pressão, em banho de gusa líquido, com adição de sucata de aço (que ajuda no controle da composição da liga metálica e também da temperatura do metal l[quido).
Em seguida, quando o aço está na composição correta, o metal é transferido para o lingotamento contínuo. Conversor – tem a função de reduzir o carbono, silício e fósforo por meio de uma fonte de calor gerada pela Injeção do oxigênio puro. Figura 4 – Conversor 4 1. 4 Lingotamento Contínuo Nesse sistema, o aço é transferido do conversor para o distribuidor, e deste para o molde, no qual se inicia a solidificação do aço, que é retirado continuamente por rolos extratores. O veio metálico é resfriado, sendo cortado a maçarico e transformado em esboço de placa.
Figura 5 – Lingotamento perfis…. ). Dependendo da espessura, as chapas podem ser fornecidas sob a forma de bobinas, mas este acondicionamento pode não ser adequado ao uso em perfis soldados, pois as chapas têm a tendência de retornar a sua posição deformada na bobina, por ocasião da soldagem dos perfis. Tensões Residuais após a laminação, conforme o grau de exposição da chapa ou do perfil laminado, as diferentes velocidades de resfriamento levam ao aparecimento de tensões permanentes nos laminados, que recebem o nome de tensões residuais.
Em chapas, por exemplo, as extremidades resfriam-se mais rapidamente do que a região central, contraindo-se; quando a região central resfria- se, as extremidades, já solidificadas, a impedem de contrair- se livremente. A presença de tensões residuais faz com que a seção comece a plastificar-se progressivamente, antes que a peça atinja a sua plena carga de plastificação, ou seja, ocorre ma redução do limite de proporcionalidade que passa a ser: fp fy – fr (fr-tensão residual máxima).
NBR 8880 fr-115 MPa. Cabe salientar, que as operações executadas posteriormente, nas fábricas de estruturas metálicas (soldagem, corte com maçarico…. ) também provocarão o surgimento de tensões residuais. Portanto, as tensões residuais nada mais são do que as tensões internas que ocorrem nos produtos siderúrgicos, como conseqüência de seu resfriamento diferencial; as regiões que se resfriam mais rapidamente têm tensões de compressão e as que se resfriam mais lentamente, tensões de tração.
Figura 6 — Laminação a Quente Figura 7 – Laminação a Frio 6 de tração. Figura 7 Laminação a Frio 2 Diagrama Tensão-Deformação Quando solicitamos um corpo de prova ao esforço normal de tração, no caso de aços dúcteis (aços com patamar de escoamento) podemos retirar valores Importantes para a determinação das propriedades mecânicas dos aços estruturais. A relação entre a tensão aplicada e a deformação resultante pode ser acompanhada pelo diagrama tensao-deformaçao. (explicar o ensaio!!! Figura 8 – Diagrama Tensão-Deformação A constante de proporcionalidade é denominada módulo de lasticidade ou módulo de deformação longitudlnal. O valor constante da tensão, na fase plástica, é chamado limite de escoamento do aço. Após o escoamento, ainda na fase plástica, a estrutura interna do aço se rearranja e o material passa pelo encruamento (ganho de resistência). O limite de escoamento de um material é calculado dividindo-se a carga máxima que ele suporta, antes de escoar, pela área da seção inicial do corpo-de- prova. . 1 Propriedades Mecânicas do Aço Estrutural • Módulo de Elasticidade (E) Coeficiente de Poisson (va) Coeficiente de Dilatação Térmica (P) E = tga— a = 0,3 va = – 205 GPa 0 C • Peso Específico (va) ou seja, desaparece quando a tensão é removida. A relação entre a tensão e a deformação linear específica é o módulo de elasticidade. Plasticidade – é a deformação permanente provocada por tensão igual ou superior ao limite de escoamento. A deformação plástica aumenta a dureza do metal.
Este aumento da dureza por deformação plástica é denominado endurecimento por deformação a frio ou encruamento e é acompanhado de elevação do valor do limite de escoamento e do limite de resistência. O encruamento reduz a ductilidade o metal, pois parte da elongação é consumida durante a deformação a frio. Ductilidade – é a capacidade dos materiais de se deformar plasticamente sem se romper. Pode ser medida por meio do alongamento (E) ou da estricção, que é a redução na área da seção transversal. (8=01/1) Quanto mais dúctil o aço maior é o alongamento antes da ruptura.
A ductilidade tem grande importância nas estruturas metálicas, pois permite a redistribuição de tensões locais elevadas. As vigas de aços dúcteis sofrem grandes deformações antes de se romper, o que na prática constitui um aviso da presença de tensões elevadas. Um aterial não-dúctil, o ferro fundido, por exemplo, não se deforma plasticamente antes da ruptura. Diz-se, no caso, que o material é de comportamento frágll, ou seja, apresenta ruptura frágil. Tenacidade — é a capacidade que têm os materiais de absorver energia, com deformações elásticas e plásticas. É representada pela área total do diagrama 0-E.
Um material dúctil com a mesma resistência de um material frágil vai requerer maior quantidade de energia para se PAGF 13 dúctil com a mesma resistência de um material frágil vai requerer maior quantidade de energia para ser rompido, sendo, portanto, mais tenaz. Resiliência – é a capacidade de absorver energia mecânica em regime elástico. Fragllidade – é o oposto da ductilidade, é quando os aços se tornam frágeis pela ação de diversos agentes, como baixas temperaturas, efeitos térmicos locais causados por soldas, etc… É muito perigoso, pois os materiais frágeis rompem sem aviso prévio. 3 Tipos de Aços Estruturais 3. 1 Aços-carbono São os tipos mais usuais, sendo que o aumento de resistência é obtido com o carbono e, em menor escala, com a adição de manganês. Nas estruturas, usa-se aços com teor máximo de carbono de para permitir a soldabilidade. Teor de carbono aumenta a resistência e a dureza (reduz a ductilidade). Aços mais usados: ASTM A36, A570. 3. 2 Aços de baixa liga São aços-carbono com adição de alguns elementos de liga (cromo, manganês, titânio…. ) sendo que estes elementos provocam um aumento da resistência do aço, tanto mecânica (ASTM A572) com à corrosao atmosférica (ASTM A588).
Aços Patináveis ou Aclimáveis: apresentam como principal característica a resistência à corrosão atmosférica, muito superior ao do aço-carbono convencional, conseguida pela adição de pequenas quantidade de elementos de liga. Quando expostos o clima (daí o nome aclimáveis), desenvolvem em sua superfície uma camada de óxido compacta e aderente, que funciona como barreira de proteção contra o prosseguimento do processo corrosivo, possibilitando, assim, a utilização desses aços contra o prosseguimento do processo corrosivo, possibilitando, assim, a utilização desses aços sem revestimento.
Esta barreira de pátina protetora só é desenvolvida quando a superfície metálica for submetida a ciclos alternados de molhamento (chuva, nevoeiro, umidade) e secagem (sol, vento). O tempo necessário para sua formação varia em função do tipo de tmosfera a que o aço está exposto, sendo em geral de 18 meses a 3 anos; após um ano o material já apresenta a coloração marromclara. A tonalidade definitiva, uma gradação escura do marrom, será função da atmosfera predominante e da freqüência com que a superficie do material se molha e se seca.
Figura g – Superficie Aço-carbono e Superfície Aço patinável Figura 10 – Comparação Aço-carbono x Aço Patinável A composição e a estrutura cristalográfica da ferrugem que se forma sobre os aços patináveis são similares àquelas formadas sobre o aço carbono. Nos primeiros, contudo, constata-se a resença, na interface metal,’ferrugem, de uma nova fase, amorfa, rica daqueles elementos de liga neles presentes, como o cobre, o fósforo e outros. ? justamente essa camada que, limitando o suprimento de água, oxigênio e estimuladores de corrosão à superfície metálica, inibe a dissolução desta, reduzindo drasticamente a velocidade com que sua corrosão se processa. 3. 3 Aços com Tratamento Térmico São os aços-carbono ou aços de baixa liga que sofrem algum tratamento térmico para melhorar alguma de suas propriedades. Como exemplo temos a cementação, revenido, recozimento…. 0 4 ipos de Perfis Estrutur exemplo temos a cementação, revenido, recozimento…. ipos de Perfis Estruturais 4. 1 Perfis Laminados (NBR 8800) São aqueles em que o material proveniente do lingotamento continuo, passa por laminadores com cilindros conformadores que vão esboçando os perfis por meio de uma sucessão de passes. Figura 1 1 – Exemplo do processo de obtenção de perfis laminados São designados como: Código Literal, altura (mm), peso (kg/m) Exemplo de perfis: 203 x 27,3 — perfil l, com 203 mm de altura e 27,3 quilogramas por metro. L 50 x 50 x 3 cantoneira de abas guais (50 mm) e espessura 3 mm. . 2 perfis soldados (NBR 8800) São aqueles obtidos pelo corte, composição e soldagem de chapas planas de aço, permitindo grande variedade de formas e dimensões de seções. Nomenclatura: VS — vigas soldadas, 2 25 mm”: Rnt 0,95 . Ar . fu (3. 6) 29 Onde: fu resistência à tração do matenal do parafuso ou barra rosqueada (segundo Anexo A, item A-4); Ap área bruta, baseada no diâmetro nominal “d” do parafuso ou barra rosqueada (A = TI . d2 / 4); Ar — área efetiva à tração (conforme item 7. 3. 1. 2). item 5. 2. 6), a exemplo de normas de outros países fixam- e limites do Índice de esbeltez de peças tracionadas, com a finalidade de reduzir efeitos vibratórios provocados por impactos, evitar a ressonância com vibrações induzidas por efeitos de vento, etc. O índice de esbeltez é calculado por: Onde: le — comprimento entre os centros de ligação (apoios) raio de giração da seção; I momento de inércia da barra; r (o menor com relação aos eixos principais); A — área de seção transversal.
A esbeltez das peças será estudado com maior ênfase no Cap. IV – para peças comprmldas. 30 7. 5 ÁREAS DE CÁLCULO 7. 5. 1 Área Bruta (Ag) A área bruta de uma seção deve ser alculada pela soma dos produtos da espessura pela largura bruta do elemento (Fig. 4), medida em direção normal ao eixo da barra. Ag=b. t (3. 7) para cantoneiras, a largura bruta é a soma das abas subtraída de sua espessura (Fig. ). Ag = (a+b-t). t (3. 8) 7. 5. 2 Área Líquida (An) Quando há furos em diagonal, a linha de ruptura pode não ocorrer numa seção reta normal ao eixo da peça (2 e 3). A linha de ruptura pode ser em ziguezague (1 e 4), tornando-se necessário verificar todas as posslbilidades. Quando a ruptura se dá em ziguezague temos um aumento da resistência que é expresso côo um aumento de área líquida: