ASTM A992

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ASTM A992

Elementos de estruturas de aço – Dimensionamento – Capítulo 1 – O material Aço
NBR 8800.2008
1- O MATERIAL AÇO
1.1- Descoberta e desenvolvimento
A descoberta e a utilização dos metais pelo homem deve ter iniciado com os obtidos por
uma exposição casual de pedras com alto teor de minério ao calor das fogueiras. Dos inicialmente
descobertos, o estanho e o cobre, ao serem combinados deram origem ao bronze, que por vários
séculos representou o metal por excelência das civilizações que então se desenvolveram. Durante a
idade do bronze foi obtido ferro, em pequenas quantidades como subproduto da fusão do ouro ou do
bronze ou então do núcleo dos meteoritos que não eram totalmente queimados no atrito com a
atmosfera.
Estas hipóteses são confirmadas pela presença de ferro em objetos remanescentes
desta época e pela pureza, em alguns casos, que o metal apresenta, impossível de ser obtida com a
tecnologia da época ou então por estar combinado com o níquel, metal então desconhecido. Outra
confirmação desta utilização pode ser encontrada em diversos textos históricos onde o ferro é
denominado de metal celeste ou sideral, que deu origem à palavra siderurgia e que identifica até hoje
a metalurgia do aço. Entretanto, para o desenvolvimento da humanidade, o ferro a ser utilizado
deveria vir de jazidas onde sua presença fosse abundante e não das poucas amostras encontradas
até então.
Desconhecem-se quando e como se deu o início da extração e da exploração em
grande escala deste minério, mas sabe-se que os sumérios há aproximadamente 3.000 anos a.C.
conseguiram obter uma forma de ferro que permitia, quando aquecido ao rubro e martelado, fabricar
diversos utensílios e inúmeras ferramentas.
Este processo de fabricação de ferro, conhecido como processo sumério, consiste em
abrir um buraco no solo e revesti-lo com argila. A seguir eram adicionadas camadas alternadas de
madeira, minério de ferro e carvão, até formar uma pequena elevação semi-esférica acima do solo. A
seguir esta elevação era também coberta com a mesma argila, e ateado fogo no seu interior,
enquanto por aberturas convenientes abertas na cobertura, era insuflado ar para alimentar a
combustão. Após a queima e o resfriamento, a argila era removida e, no fundo do buraco inicialmente
aberto no solo, restava uma massa escura e amorfa do lendário ferro sumério.
Na seqüência, por volta de 1.500 a.C. um povo nômade, os hititas, que segundo a
tradição grega dominava as minas e a arte da fabricação do ferro, dominou desde a Mesopotâmia até
o Egito. Eram, simples pastores, mas herdeiros da cultura suméria, que lhes permitiu fabricar armas
mais resistentes que as fabricadas por seus adversários. Os períodos seguintes, passando pela
hegemonia egípcia, helênica e posteriormente pela romana, propiciaram a difusão desta tecnologia
por todo o mundo então conhecido e, esta tecnologia sobreviveu por séculos sem alterações
significativas.
Os séculos XV e XVI foram das navegações, das conquistas e da posse dos territórios
conquistados, que aumentaram a demanda por ferro, então produzido a partir do carvão vegetal,
exaurindo as florestas centrais européias e empurrando a metalurgia para a Suécia, Rússia, e a
nascente América do Norte.
Para manter a independência econômica e recuperar a hegemonia perdida, os países
europeus procuraram obter ferro a partir do carvão mineral, abundante nestes países, mas o ferro
assim obtido não teve aceitação comercial devido ao alto teor de impurezas, não eliminadas nos
processos então utilizados.
Somente ao final do século XVIII, na Inglaterra, foi realizada esta purificação, que é
utilizada sem grandes alterações, até os dias atuais, que consiste basicamente na queima do carvão
na ausência do oxigênio, sendo o produto resultante denominado de coque, formado quase que
exclusivamente por carbono quase puro, uma vez que a maioria das impurezas foram eliminadas
durante a queima.
O ferro produzido com coque em lugar do carvão, obteve a qualidade suficiente inclusive
para a produção de ferro forjado, então muito utilizado.
A operação de forjamento consiste, basicamente, no aquecimento ferro fundido a uma
temperatura em que o mesmo atinge uma cor próxima ao rubro, e martelado até atingir a forma
desejada, repetindo estas operações quantas vezes forem necessárias.
Esta operação reduz o teor de carbono do ferro fundido e, quando bem realizada torna o
ferro mais maleável e mais resistente, permitindo moldá-lo nas mais diversas formas. Este produto é
o aço, mas os ferreiros ainda não sabiam disso.
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O desenvolvimento dos altos fornos, permitiu obter um ferro fundido ainda mais puro e
mais barato, mas o aço ainda prescindia de um processo mais econômico para sua obtenção. Esta
solução foi vislumbrada por Bessemer, que fez soprar ar sobre o ferro em estado líquido, fazendo
com que e o oxigênio presente no ar soprado se combinasse com o carbono do banho metálico,
reduzindo o seu teor e transformando o ferro em aço. Em 1856 surgia o conversor Bessemer e em
1864 o forno revérbero ou a céu aberto, preconizado por Siemens.
Entretanto, estes processos continham uma última limitação: não eliminavam o fósforo
existente nos minérios das diversas jazidas então utilizadas. Esta última barreira foi vencida por
Sidney G. Thomas, ao substituir o revestimento ácido utilizado nos conversores por um revestimento
básico. Corria o ano de 1879 quando foi completado o ciclo completo de fabricação do aço.
Estes processos de fabricação de aço não sofreram modificações até os dias atuais e,
simplificadamente pode-se dizer que o processo Bessemer consiste em fazer soprar ar sobre o gusa
líquido e na passagem são oxidados elementos como o silício, o manganês e o carbono. A energia
liberada nesta conversão é transformada em calor para manter o metal em seu estado líquido.
O processo Siemens-Martin, também simplificadamente, consiste em adicionar ao gusa
líquido, minério de ferro ou sucata, que ao fundirem, oxidam as impurezas.
O processo Thomas é uma variação do Bessemer apenas com revestimento básico, que
oxida também o fósforo existente no gusa, que não ocorre nos outros processos.
Estes processos são economicamente viáveis em usinas de grande porte. Para usinas
menores foi desenvolvido o processo LD, assim denominado em homenagem às cidades Lins na
Áustria e Donawitz na Suíça, cujas usinas o desenvolveram, em 1952.
Este processo permite produzir aços em usinas menores, a preços competitivos e
consiste em soprar oxigênio quase puro (97 a 99%) através de uma lança metálica no interior do
gusa, obtendo uma velocidade maior de conversão e um produto de maior pureza. No bocal da lança,
o
onde o oxigênio é lançado, a temperatura pode atingir 2.500 C, suficiente para oxidar os elementos
presentes no banho metálico que não sejam ferro.
1.2 – A Siderurgia no Brasil
Os processos empregados para a produção de aço podem variar de um país para outro
em função da disponibilidade dos insumos necessários, como carvão vegetal ou mineral, abundancia
de energia elétrica, ou da evolução tecnológica.
Em nosso país, o desenvolvimento siderúrgico teve características próprias e seguiu
particularidades históricas, que remontam à colonização, e foram responsáveis pelo nosso atraso
neste setor. Estas particularidades, começaram na tomada de posse das terras, como forma de
assegurar o domínio sobre o território, mas o interesse maior era a exploração das riquezas naturais.
Com raras exceções estes desbravadores, ao adentrarem a floresta, encontraram
jazidas de minério de ferro a céu aberto, que não foram exploradas, embora na época, o ferro fosse
um metal altamente estratégico. Este descaso pelas minas de ferro ocorreu principalmente devido às
ações da coroa portuguesa que não incentivou esta exploração, pelo contrário, inibiu com a proibição
de que aqui fossem instaladas fábricas de qualquer espécie.
Portanto, no período colonial, a descoberta das jazidas e suas explorações ficaram por
conta de alguns pioneiros, como na jazida explorada, próxima à cidade de São Paulo, na Freguesia
de Santo Amaro, à beira de um afluente do rio Pinheiros. Devido ao baixo teor de minério (35 a 40%),
não foram obtidos resultados comerciais favoráveis e a fábrica fechou, sendo desconhecido o
fundador desta fábrica. Ou então, na jazida de Araçoiaba, em Sorocaba, com maior teor de minério,
que permitiu a Afonso Sardinha explorá-la comercialmente. A usina foi implantada em 1590, e
fechada em 1629, após a morte de seu idealizador.
Posteriormente foram encontradas jazidas em Minas Gerais, junto com a descoberta de
ouro e diamantes, que ofereciam melhor retorno econômico e estas jazidas ficaram esquecidas por
muito tempo, até o final do século XVIII, quando a população do país aproximava-se dos três milhões
de pessoas, e a extração de ouro e diamantes começava a passar por uma fase de arrefecimento.
Foi quando assumiram maior importância econômica as atividades ligadas à indústria do
açúcar, aumentando a procura por equipamentos para os engenhos e o cultivo da cana, que eram
produzidos em pequena escala, importando o restante de Portugal.
A vinda da corte para o Brasil, aumentou ainda mais a procura por produtos a base de
ferro e tornou imperiosa a implantação de indústrias para suprir esta necessidade. Em primeiro de
abril de 1808 foi promulgado um alvará que permitia o estabelecimento de fábricas de todo tipo,
revogando o alvará de 1785 que o proibia.
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Como resultado deste alvará, na área siderúrgica, foi autorizada a instalação de três
usinas, duas na província de Minas Gerais e uma na província de São Paulo.
A primeira concessão mineira coube a Manuel Ferreira da Câmara, Intendente Geral das
Minas e dos Diamantes e, a segunda a Guilherme Luis de Eschwege. Estas duas usinas mantiveramse em operação até 1822.
A concessão paulista foi concedida a Frederic de Varnhagen, que criou a Fábrica de
Ferro de São João do Ipanema, no local das ruínas da fábrica de Afonso Sardinha
A Fábrica Ipanema persistiu até 1860, quando o governo imperial a dissolveu,
dispensando seus funcionários, para cinco anos depois, devido ao início da guerra com o Paraguai,
ver-se obrigado a reativá-la.
Esta usina permaneceu funcionado, até ser desativada pelo congresso da nascente
república, em 1895. As ruínas desta usina ainda podem ser vistas na fazenda Ipanema, no município
de Sorocaba, interior de São Paulo.
No século seguinte, devido a primeira grande guerra, as importações foram suspensas e
escassearam os produtos siderúrgicos. Foi então, no meio da crise, criada a Companhia Siderúrgica
Mineira, em Sabará, em 1917 e, em 1921, com a adesão de capital e tecnologia belga, expandiu-se,
passando a denominar-se Companhia Siderúrgica Belgo-Mineira, a primeira usina siderúrgica de
grande porte, que existe até os dias atuais.
Na seqüência a quebra da bolsa de Nova Iorque, em 1929, convulsionou o comércio
mundial e encareceu os produtos siderúrgicos, surgindo uma grande pressão da sociedade para que
o país buscasse a sua auto-suficiência nestes produtos. Em 1930 a produção nacional somou 57.000
toneladas de aço e ferro gusa enquanto as importações ultrapassaram as 300.000 toneladas.
Com o esforço da iniciativa privada foram criadas a Companhia Metalúrgica Barbará e a
Companhia Siderúrgica de Barra Mansa, no estado do Rio de Janeiro, em 1937, que somadas à
produção da nova unidade da Belgo-Mineira instalada em Monlevade, não conseguiram atender a
demanda da década.
O atendimento a esta demanda continuou a depender das importações, que se tornaram
mais difíceis agora devido ao início das ações que culminaram na segunda grande guerra.
A saída para esta crise passava necessariamente pelo aumento da produção, possível
somente com a instalação de novas usinas ou a ampliação das existentes. Para direcionar esta saída
foi desenvolvido o Plano Siderúrgico Nacional, que pregava o ajuste, ampliação e desenvolvimento
do parque metalúrgico.
Neste plano foi prevista a construção de uma grande usina que produzisse os artigos
que sempre foram importados, melhoria do transporte ferroviário e o aparelhamento dos portos para
importar e exportar produtos e matérias primas indispensáveis à operação do sistema planejado.
A nova usina implantada, a CSN - Companhia Siderúrgica Nacional, em Volta Redonda,
no Estado do Rio de Janeiro, começou a operar em 1946, produzindo desde ferro gusa para as
demais indústrias metalúrgicas, passando por perfis laminados, placas, barras, chapas grossas e
finas, telhas galvanizadas, chapas finas chumbadas e folhas de flandres, utilizadas na indústria
alimentícia. Pela primeira vez na nossa história ocorreu a auto-suficiência em produtos siderúrgicos.
Nos anos 50, foi iniciada a construção de duas novas usinas, a COSIPA - Companhia
Siderúrgica Paulista, em Piaçaguera, município de Cubatão, que começou a operar em 1953, e a
USIMINAS - Usina Siderúrgica de Minas Gerais, em Ipatinga, que começou a operar em 1954. Com
estas duas novas usinas estava implantado o parque siderúrgico nacional que no início dos anos 70,
passou a ser coordenado pela SIDERBRÁS, criada com esta finalidade que o conduziu até a sua
privatização, ocorrida no início dos anos 90.
Durante a sua existência, a SIDERBRAS ampliou as capacidades instaladas das usinas
então existentes, incorporou outras que estavam com dificuldades financeiras e instalou novas
usinas, como a de Tubarão, em Vitória, que entrou em operação em 1983, e Açominas, em Ouro
Branco que começou a operar em 1986.
Quando da criação da SIDERBRÁS, a produção nacional de aço era de cinco milhões de
toneladas de aço por ano e, no início da década de 90, atingiu a marca de 30 milhões, dos quais,
perto de 10 milhões de toneladas foram exportados. Nos anos 90 ficou claro o esgotamento do
modelo de financiamento da indústria siderúrgica pelo capital estatal e foi decidida a extinção da
SIDERBRÁS e a privatização das suas usinas, que começou em 1991 e terminou em 1993.
Após a privatização, os grupos que adquiriram as usinas siderúrgicas, reorganizaram a
produção, investiram em equipamentos e processos, foram instalados os laminadores de perfis de
abas paralelas da Açominas, que em 2002 começaram a produzir estes perfis, atendendo a uma
antiga reivindicação de todos os projetistas de estruturas de aço por estes perfis, que são mais
econômicos e mais estéticos que os fabricados com a soldagem de chapas.
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1.3 – Pioneiros nas construções em aço
A evolução siderúrgica propiciou a alteração do modo de vida da humanidade com os
produtos obtidos a partir do ferro e do aço, com qualidade suficiente para atender às mais diversas
necessidades.
Na área das construções foi com o surgimento dos primeiros perfis de ferro que
começaram as evoluções. Inicialmente foi vislumbrada a possibilidade de aplicar estes perfis em
substituição aos caibros e demais elementos estruturais fabricados com madeira.
Quase ao mesmo tempo aconteceu a aplicação destes perfis nas pontes, como na
primeira a ser construída por Abraham Darby, em 1777, no rio Severn, em Coalbrookdale, Inglaterra,
com projeto de John Wilkinson e Thomas Farnoll Pritchard. Em 1783 teve início a fabricação de perfis
de ferro laminado e, em 1796, era concluída a ponte de Wearmouth, na Inglaterra, em arco abatido
com 70m de vão.
A evolução das pontes em arco foi acompanhada pela evolução das pontes penseis e,
as primeiras foram construídas por James Finley, nos Estados Unidos, por volta de 1801 a 1810. Na
Inglaterra a história das pontes pênseis, começou em 1815 com Thomas Telford que projetou a ponte
sobre o rio Menai, com vão principal de 175 metros e dois vãos secundários com 78 metros,.
A evolução das pontes estaiadas foi um pouco mais difícil devido ao colapso ocorrido em
janeiro de 1818 da primeira destas pontes, em Dryburgh Abbey, Inglaterra, com vão de 79 metros e
concluída em agosto de 1817. Após algumas modificações no projeto original, esta ponte foi
reconstruída, mas em 1838 novamente entrou em colapso.
Os dois colapsos desta ponte somados ao de uma outra ponte ligeiramente mais curta
no rio Saale, na Alemanha, em 1824, causou uma recusa natural para a sua utilização, e apesar de
uma história que remonta ao século 17, sua aplicação foi quase abandonada, em favor das pontes
penseis.
Entretanto, com a experiência acumulada na reconstrução da Europa, foi possível
recuperar a confiança neste sistema, que representa uma solução econômica para vãos menores
que os que é possível vencer com o sistema pênsil. Confirmando estas conclusões foi construída a
ponte Stromsund, na Suécia, concluída em 1955, que foi a primeira das aplicações que se
sucederam, assegurando a continuidade da sua aplicação.
A evolução dos sistemas estruturais industriais e comerciais começou na Europa, com
as aplicações pioneiras de William Strutt, que em 1792 construiu uma fábrica de seis andares com
colunas de ferro e, na França com a fábrica de chocolate Menier, de 1872, construída com colunas
de ferro sobre a estrutura de uma barragem desativada.
A idéia dos tetos "curvilíneos" aparece pela primeira vez nas estufas com tetos em
formas de cúpula, como na Chatséorth, construída por Joseph Paxton, em 1837, com 83 metros de
comprimento, 40 de largura e 20 de altura. Esta estufa preparou a indústria para a construção do
Palácio de Cristal, de 1851. Os fatores decisivos para o sucesso desta obra devem-se ao
comprimento de 556 metros, a ausência de outros materiais na sua estrutura e um complexo sistema
de pré-fabricação, que o tornam um dos melhores exemplo da engenharia de ferro do século XIX.
Ainda nas construções destinadas a exposições, foi construída a Galerie des Machines
para a Exposição Internacional de Paris de 1889, em arcos com vão de 115 metros. Para esta
mesma exposição, Gustave Eiffel construiu a Torre de Paris, a estrutura mais alta então construída.
O efeito impressionante desta torre, deve-se não somente à sua altura de 300 metros,
ultrapassada somente após a primeira guerra, mas também à elegância das suas linhas curvas e à
energia poderosa, do seu élan. Eiffel já havia empregado vigas curvas, como as que fazem parte da
base da torre, em diversas pontes que se contam entre as mais arrojadas do século, como por
exemplo, a ponte D.Maria II, no Porto em 1875, e o viaduto do Garabit de1879, em Lisboa.
Porém, ao final do século XIX o pensamento mais avançado e mais arrojado passa a ser
compreendido em termos de aço, e "aço" significava acima de tudo "arranha-céus", que começavam
a surgir na América, como o Home Insurance Building, em Chicago, em 1885, com um sistema
estrutural empregado até hoje nas estruturas de aço onde, pela primeira vez, foi transferido o peso
próprio das paredes para um vigamento de ferro e respectivas colunas embutidas na alvenaria.
Ou então no Tacoma Building, de 1888, o primeiro edifício construído com ligações
rebitadas e com vigas laminadas de aço doce, que começaram a ser produzidas em 1885, que
substituíram as vigas de aço forjado, e significaram o desenvolvimento tecnológico necessário para
equipar a indústria para o desenvolvimento pleno destas construções, encerrando a primeira fase na
evolução da construção dos "arranha-céus".
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O segundo período começou no início do século XX e durou até a Segunda Guerra
Mundial e foi caracterizado por uma tremenda expansão nas atividades de construção e de inovações
estruturais. Desta fase merecem destaque o edifício Woolworth Tower com 234 metros de altura, 55
andares, de 1913, e considerado até 1930 como o edifício mais alto do mundo.
Em 1929, foi construído o Chrysler Building com 320 metros de altura, e 75 andares e
em 1931 o Empire State com 380 metros de altura e 102 andares, que nos 40 anos que se seguiram,
não encontrou rival. Após a segunda guerra, teve início a terceira fase, quando Chicago reconquistou
a liderança, com o edifício da John Deere em Moline, Illinois, de 1964, o primeiro construído com aço
Cor-Tem. Este aço fora desenvolvido para a indústria ferroviária, que precisava de um aço que
melhor resistisse à abrasão e à corrosão atmosférica.
A seguir o edifício Civic Center em Chicago, de 1966, que apresenta uma estrutura com
elevada ousadia para a época, com vãos de 26,50 x 14,70 metros entre pilares, espaçamento que foi
necessário devido às dificuldades apresentadas nas fundações. Os pilares possuem seção
cruciforme, e foi a primeira aplicação de um aço de alta resistência mecânica.
No edifício John Hancock Center, de 1968, com 344 metros de altura, e 100 andares,
nas fachadas externas foram aplicadas poderosas diagonais, ligadas aos elementos verticais e às
vigas perimetrais, fazendo com que os pilares internos só recebam cargas verticais.
Como resposta, a escola de Nova Iorque começou em 1966 a construção do World
Trade Center, sistema tubular, que possuía 411m de altura, 110 andares, em suas duas torres. Como
resultado das ligações rígidas dos painéis das janelas aos pilares, a parede externa se comportava
com uma viga Vierendel.
Finalmente, o maior dos super arranha-céus desta fase, que é o edifício da Sears, de
1973, atualmente Willis Tower, que possui 109 andares e 445m de altura. Neste edifício o conceito do
sistema tubular aparece em um conjunto formado por nove seções quadradas, cada uma com altura
diferente, com 22,50m de lado, compreendendo 5 vãos de pilares. A estrutura principal levou 15
meses para ser completada. É um dos edifícios mais enraizados na tradição americana de edifícios
altos e o que a melhor representa.
As obras destas fases pioneiras apresentaram relevantes inovações em materiais e nos
sistemas empregados. Após estas fases as que foram construídas apresentam poucas inovações e
apenas aumento na altura ou da área construída, os sistemas e os materiais são quase os mesmos
definidos por estes pioneiros.
1.4 – Construções Metálicas no Brasil
Durante todo o período colonial muito pouco foi construído ou produzido com ferro em
nosso país, pois as pequenas forjas que teimosamente tentaram sobreviver e abastecer o mercado
local com pregos, ferramentas e demais utensílios agrícolas, não conseguiram atender às
construções tanto de edifícios como de equipamentos urbanos, além dos acordos comerciais que
Portugal mantinha com os países europeus que possibilitavam e facilitavam as importações.
Com a vinda da Corte para o Rio de Janeiro, ocorreu a abertura dos portos, a criação da
imprensa oficial, a biblioteca pública, de escolas de ensino médio e superior. O Rio de Janeiro era
uma pequena vila que, alçada a capital do Reino, não possuía infra-estrutura urbana e construções
em condições de alojar os membros da corte e as instituições oficiais correspondentes.
Com a reforma e ampliação da cidade, ocorreu uma demanda por construções e a
instalação de indústrias de diversas atividades gerando uma busca por mão de obra especializada
que não existia na então província de São Sebastião do Rio de Janeiro. A solução mais uma vez veio
da Europa, com o envio de uma missão francesa, em 1816, para ensinar as “novas” técnicas de
construção. Desta missão faziam parte serralheiros, ferreiros, marceneiros e inclusive um engenheiro
mecânico. Assim, novos rumos foram dados à construção, sendo aplicadas novas técnicas
construtivas baseadas, principalmente, no uso racional da alvenaria da pedra, do tijolo e da madeira.
Como ocorrera na Europa, o ferro foi utilizado como material auxiliar da arquitetura, e
elementos de ferro se integraram na arquitetura brasileira desde pecas estruturais como vigas e
colunas e elementos secundários, como ornamentos, chafarizes, ferragens de portas e janelas,
canalizações e pecas de banheiro, todos devidamente importados da Europa. Esta situação perdurou
enquanto a coroa permaneceu no Brasil e pelos dois períodos imperiais posteriores.
O ponto alto destas importações ocorreu com a implantação das ferrovias, quando as
companhias que detinham as concessões deste transporte, importaram estruturas de pontes e de
edifícios, introduzindo no mercado as estruturas de ferro pré-fabricadas, que reproduziam as fiações
da Revolução Industrial, 60 anos após seu início na Inglaterra.
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A única iniciativa destes períodos na área siderúrgica foi a criação da Escola de Minas
de Ouro Preto, e apenas porque as mudanças sócio-econômicas e tecnológicas ocorridas na Europa
implicaram em profundas transformações nos modos de construir e de habitar em nosso país.
Os eventos anteriores à primeira Guerra criaram restrições às importações, causando
escassez no mercado de cimento, vidros, perfis de aço, ferragens e demais elementos executados
com ferro fundido ou forjado. Após a guerra, teve inicio a produção de cimento, e a primeira fábrica
começou a operar em 1926. No campo siderúrgico, foi constituída a Companhia Siderúrgica Belgo
Mineira e outras fundições menores que elevaram para 35.000 toneladas a produção anual de gusa,
não aplicado nas construções que continuaram dependentes de importações.
As revoluções socioculturais que aconteceram na Europa por esta época marcaram a
arquitetura, as construções e as artes em geral, mas pouco afetaram o Brasil, não causando grandes
implicações na construção civil, e a arquitetura oficial permaneceu dentro dos padrões acadêmicos
do século 19, fazendo com que até hoje muitos confundam a década de 20 no Brasil com a “Belle
Époque” da Europa do século passado.
O objetivo dos empreendimentos governamentais, marcados pela incoerência, falta de
orientação e decisões aleatórias, definiram, em 1935, a construção do novo edifício do Ministério da
Educação, em concreto armado, apesar de ter sido recém criado, o Plano Siderúrgico Nacional,
destinado a abastecer e a fortalecer as indústrias de aço locais. Assim, quando foi criado o Ministério
da Educação, a arquitetura “moderna” brasileira que começava a tomar impulso, encontrou um
campo de ação aberto por Gustavo Capanema, que deu início à “Escola Burocrática” que mais tarde
iria repetir em Brasília arquétipos dessa mesma arquitetura.
Apesar desta clara opção da arquitetura nacional, foi instituída a Comissão Executiva do
Plano Siderúrgico Nacional e fundada a CSN, embora já existisse um comprometimento irreversível
da arquitetura brasileira com o concreto armado e com as inúmeras versões da “Unité d'Habitation de
Marseilles” que pululavam nas cidades brasileiras, concentradas mais na semelhança visual do que
interpretando a idéia original de Le Corbusier.
Com o início das operações das CSN era esperado que a arquitetura nacional, que
agora dispunha de aço em quantidades suficientes para atender a uma possível demanda, partisse
para o ramo das construções metálicas, como ocorreu na Europa e na América do Norte. Como isso
não ocorreu, para incentivar e demonstrar as propriedades destas construções a CSN criou a FEM Fábrica de Estruturas Metálicas, que iniciou o ciclo completo de projeto, detalhamento, fabricação e
montagem de estruturas de aço em nosso país. Nos anos que se seguiram a FEM construiu e
montou diversas estruturas de pontes, viadutos, edifícios comerciais e industriais, que ainda se
destacam no panorama nacional pelas suas características estruturais e arquitetônicas.
Este impulso inovador advindo da CSN também foi responsável pela implantação da
COSIPA, da USIMINAS que serviram de suporta à implantação das indústrias automobilística e
naval, enquanto, mais uma vez a construção civil ficou voltada para o concreto armado, que ocupou
todos os espaços abertos pela política governamental adotada para a construção de Brasília.
Entretanto, os edifícios dos Ministérios, as duas torres do Congresso Nacional e outras grandes
construções nesta implantação foram executados em aço, devido ao prazo exíguo disponível para
estas realizações.
Entretanto, o domínio do concreto armado no mercado de construções foi causado
também pela falta de perfis laminados de abas paralelas, bem mais apropriados e que foram
substituídos na execução das obras pesadas por perfis soldados, mais caros por conta dos custos
inerentes à fabricação, e nas construções leves por perfis obtidos por dobramento de chapas.
Os anos 70 ficaram marcados por uma elevada taxa de industrialização e, visando
resolver balanço de pagamentos e aprofundar o processo de substituição de importações de bens de
consumo duráveis e bens de capital, foram promovidas diversas expansões nas usinas existentes e a
implantação de novas, como a siderúrgica Açominas, sediada em Ouro Branco, MG, com a produção
voltada para a laminação dos perfis de abas paralelas, que embora esta usina já estivesse operando,
produzia apenas chapas e placas.
A partir destes anos e nos que se seguiram foram realizados diversos congressos,
seminários e uma intensa divulgação sobre as aplicações do aço em estruturas e, a arquitetura
nacional finalmente pareceu ter finalmente descoberto as estruturas de aço. Como resultado, deste
despertar, diversos edifícios, comerciais, residenciais, pontes, viadutos, ginásios, recintos de
exposições e muitas outras modalidades construtivas foram surgindo, consolidando enfim este
material no mercado nacional.
No início deste século, em 2002, a Açominas concluiu a instalação dos laminadores de
perfis de abas paralelas, equipando assim o mercado com o último produto que faltava para
completar a oferta de produtos siderúrgicos, tão solicitado no mercado de estruturas de aço.
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1.5- Aço como material estrutural
1.5.1 - Processos de obtenção
Ferro Esponja
O processo sumério de fabricação de ferro não desenvolve temperatura suficiente para a
completa fusão do minério, fazendo com que o produto obtido seja poroso e só se aglutina quando
martelado a quente. Este tipo de ferro, denominado ferro esponja, ainda é fabricado, principalmente
nas usinas de pequeno porte, pois o seu custo de fabricação é menor que o dos outros processos.
Ferro Pudlado
Este tipo de ferro é fabricado em forjas tipo italiano ou tipo catalã, onde são fundidos minério
de ferro e carvão vegetal. Quando o banho atinge o estado pastoso, é introduzida uma haste para
agitar a mistura e uma chama oxidante, que eleva a temperatura ao ponto de fusão do metal.
Com a perda do carbono o material tem seu ponto de fusão aumentado, ultrapassando o
gerado pela chama, passando portanto novamente ao estado pastoso e devido à sua viscosidade se
aglutinando em torno da haste. As massas assim obtidas, quando marteladas ao rubro, dão origem a
um aço mais puro e mais maleável que o obtido a partir do ferro esponja.
Este aço, conhecido como aço pudlado, foi muito utilizado na construção de pontes, perfis e
chapas e só diminuiu sua aplicação com o advento do processo Bessemer.
Ferro Gusa
É obtido nos altos fornos, fundindo coque e sinter na presença de fundentes como sílica,
calcário e manganês. O coque é obtido com a destilação a seco de uma mistura de carvões em
ausência de ar. Os subprodutos desta destilação possuem diversas aplicações comerciais, como
piche, alcatrão, tolueno, xileno, adubos nitrogenados, etc..
Nos altos fornos atuais o minério de ferro não é utilizado no seu estado natural, passando
antes por um processo denominado de sinterização, que consiste na mistura em proporções
adequadas de minério de ferro moído, moinha de coque, calcário e areia, que após uma rápida
calcinação se aglutinam dando origem ao sinter.
A adição de calcário e manganês visa facilitar a aglutinação das impurezas existentes no
minério, em forma de nata, denominada escória, sem aproveitamento siderúrgico, mas que é aplicada
na fabricação de cimento metalúrgico, adubos, etc.
Após carregado o alto forno, é injetado ar aquecido e acionado os bicos queimadores de gás
ou óleo, ao nível do cadinho, conseguindo desta forma iniciar a fusão e a redução da mistura.
Uma vez completada esta operação, inicialmente a escória é vazada, que por ser mais leve
flutua no banho metálico, e a seguir é retirado o ferro, que pode ter dois destinos diferentes: pode ser
despejado em moldes, para formar os blocos ou pão de gusa após o resfriamento; ou então ser
despejado em carros auto-propulsores, denominados carros torpedo, que o transportam para as
aciarias, assim é denominado o local onde será transformado em aço, antes que ocorra a
solidificação.
Aços estruturais
Como já descrito, o aço é produzido a partir do ferro, encontrado na natureza sob a forma de
minério e transformado em metal na operação denominada redução, que consiste em fornecer calor,
para combinar o oxigênio presente no minério com o carbono do carvão que é utilizado na operação.
A seguir o ferro é transformado em aço por meio do sopro de oxigênio no seu interior, ou pela
passagem de ar sobre o mesmo, possibilitando a redução do carbono aos níveis desejados.
Durante esta transformação podem ser adicionados outros elementos metálicos, dando
origem aos diversos tipos de aços, com propriedades mecânicas diferentes e, indicados para as mais
diversas aplicações.
Concluída a transformação e obtido o aço com a composição química desejada é o mesmo
enviado à laminação para ser transformado em chapas ou em perfis. Novamente podem ocorrer duas
formas de envio, sendo que uma é em estado líquido, quando então o aço é vazado diretamente no
leito de laminação. Este processo é denominado de laminação contínua. A outra forma de envio é na
forma de lingotes, obtidos após a solidificação do aço em moldes apropriados denominados
lingoteiras. Estes lingotes são aquecidos novamente a uma temperatura conveniente aos processos
de laminação.
7
NBR 8800.2008
1.5.2 – Denominações, composições e classificações dos aços
O sopro de ar ou o de oxigênio introduzem uma enorme turbulência na massa metálica que é
aumentada pela adição de sucata, minério de ferro ou outros elementos, utilizados para controlar a
temperatura do banho metálico e a sua composição química.
Esta turbulência incorpora ao banho partículas de ar ou de oxigênio e conforme a quantidade
removida antes da solidificação os aços podem ser classificados como:
a) Efervescentes: são aços fracamente desoxidados, com aplicação em linhas de chapas
finas que precisam de aços com baixo teor de carbono e com boas qualidades quanto às condições
de superfície e de estampagem.
b) Capeados: são aços efervescentes, cuja remoção de gases é interrompida pela rápida
solidificação do topo do lingote. São utilizados para a fabricação de folhas de flandres, chapas
zincadas, chapas chumbadas e chapas finas em geral.
c) Semi-acalmados: são aços parcialmente desoxidados, com menor segregação que os
aços capeados. São utilizados principalmente em chapas grossas.
d) Acalmados: são aços inteiramente desoxidados, com qualidades superiores quanto à
uniformidade de estrutura e de composição química. São empregados em trilhos, barras, perfis e
chapas.
No processo de lingotamento contínuo é possível obter apenas aços acalmados ou semiacalmados, ao passo que no sistema convencional, que utiliza as lingoteiras, é possível obter todos
os tipos descritos.
Outra classificação muito comum para os aços e empregada na indústria mecânica refere-se
à facilidade ou dificuldade que apresentam para serem trabalhados e considera o teor de carbono
que apresentam em sua composição. Por esta classificação os aços podem ser denominados de:
aço extra-doce, com teor de carbono < 0,15%
aço doce, com teor de carbono entre 0,15 a 0,30%
aço meio-doce, com teor de carbono entre 0,30 a 0,40%
aço meio-duro, com teor de carbono entre 0,40 a 0,60%
aço duro, com teor de carbono entre 0,60 a 0,70%
aço extra-duro, com teor de carbono entre 0,70 a 1,20%
Ainda segundo a composição química os aços podem ser subdivididos em aços carbono,
quando não recebem adição de outros metais durante a operação de conversão e, aços liga e de alta
resistência mecânica, quando recebem adições para aumentar algumas das suas propriedades. Os
aços liga podem ser classificados em baixa liga, quando o teor dos outros metais for menor que 10%,
e de aços de alta liga quando o teor ultrapassar este limite.
Estes aços recebem a denominação de alta resistência mecânica por ser esta a
característica mais buscada com a adição de outros metais durante a sua fabricação.
Também podem ser fabricados com alta resistência à corrosão atmosférica com a adição de
metais que aumentam esta resistência, de 4 a 8 vezes a resistência à corrosão do aço-carbono
comum.
Como resultado da alta resistência à corrosão atmosférica, estes aços podem ser expostos
aos intemperismos sem pintura, devido à camada de oxidação, denominada de pátina, firmemente
aderida à superfície que reduz substancialmente sua posterior corrosão.
Estes aços também podem ser pintados, pois aceitam, e muito bem, as operações de pintura,
oferecendo a mesma aderência que os aços carbonos.
8
NBR 8800.2008
A classificação de resistência relativa à corrosão é baseada nas curvas de corrosão,
relacionadas ao tempo de exposição e sempre referenciadas à resistência à corrosão dos aços
carbonos.
Alguns aços, devido às suas propriedades mecânicas tornam-se adequados para serem
utilizados em elementos destinados a suportar e transmitir forças e solicitações na grande variedade
de estruturas utilizadas na engenharia de estruturas. Estes aços são os denominados de estruturais e
destinam-se à aplicação em chapas e perfis com finalidades estruturais como em pontes, edifícios e
aplicações semelhantes, e são fornecidos com a denominação “qualidade estrutural”.
Composição química dos aços estruturais mais utilizados
Nomenclatura
ASTM A36
DIN ST 37
DIN ST 52
ASTM A572
NTU SAR 55
NTU SAC 50-I
SAE 1006
SAE 1008
SAE 1010
SAE 1020
Composição Química (%)
Cmax
Simax
Mnmax
Pmax
Smax
0,25
0,15-0,30 0,80-1,20
0,04
0,05
0,20
0,08
0,05
0,20
0,55
1,50
0,045
0,22
0,30
0,50-1,35
0,04
0,05
0,18
0,35-0,55 1,20-1,50
0,035
0,04
0,12
0,35
0,90
0,12
0,35
0,08
0,25-0,45
0,04
0,05
0,10
0,25 / 0,50
0,04
0,05
0,08 / 0,13
0,30 / 0,60
0,04
0,05
0,17 / 0,23
0,30 / 0,60
0,04
0,05
Cumin
0,20
Outros
0,20
Nb+V 0,20 / 0,10
0,25/0,50 Ti (0,15 max)
Os elementos mais importantes e as propriedades por eles conferidas aos aços
ELEMENTO
CARBONO
FÓSFORO
ENXOFRE
ZIRCÔNIO
COBALTO
CROMO
TUNGSTÊNIO
NIÓBIO
BORO
MOLIBIDÊNIO
SILÍCIO
MANGANÊS
NÍQUEL
TITÂNIO E
VANÁDIO
COBRE
EFEITOS
Principal elemento de resistência do aço. Seu aumento corresponde aumento do
limite de escoamento e da dureza, porém reduz a ductibilidade e soldabilidade.
Aumenta a resistência à fadiga e à tração mas reduz a ductilidade, a soldabilidade e
produz fragilidade a baixa temperatura. Melhora a resistência à corrosão.
Produz fragilidade a temperaturas elevadas. Nas soldas produz porosidades e
trincas a quente. Adição de manganês ao aço reduz estes efeitos.
Melhora a dureza do aço, reagindo com o enxofre, nitrogênio e oxigênio.
Melhora as qualidades elétricas e de arestas nas ferramentas de corte.
Melhora as qualidades de endurecimento e a resistência à corrosão.
Usado em aços para ferramentas de corte em operação de altas temperaturas e
para a manutenção de arestas agudas.
Melhora a estrutura cristalina dos aços inoxidáveis.
Melhora a temperabilidade
Melhora a temperatura e a dureza
Aumenta a resistência à tração e as características magnéticas, reduz a
soldabilidade. Sua presença é necessária para o processo de galvanização.
Usado em quase todos os aços comerciais, auxilia na remoção do oxigênio, corrige
os efeitos adversos do enxofre, aumenta a resistência à tração, e à fadiga, a dureza
e a resistência à corrosão.
Aumenta a resistência à tração, a dureza e a resistência à corrosão. Reduz a
soldabilidade, a ductibilidade e a fragilidade a baixas temperaturas.
Melhoram as propriedades mecânicas, características de tratamento térmico,
aumentam a resistência à tração e abrasão, além da dureza.
Aumenta efetivamente a resistência à corrosão. Produz aumento na resistência à
tração, reduz a dureza e também reduz levemente a soldabilidade e a ductibilidade.
A resistência ao escoamento permite uma outra classificação para os aços, dividindo-os por
classes dentro desta resistência.
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NBR 8800.2008
Inicialmente a classificação da norma ABNT NBR 7700:
Classificação dos
aços
BR-190
MR-250
AR-COR-345
AR-415
Classe de resistência
Baixa resistência
Média resistência
Alta resistência e à corrosão
Alta resistência mecânica
fy (MPa)
190
250
345
415
fu (MPa)
330
400-560
485
520
Classe química
Aço carbono
Aço carbono
Aço de baixa liga
Aço de baixa liga
A classificação da NBR 7700, não é muito utilizada, uma vez que as usinas siderúrgicas
produzem os aços segundo especificações mais comerciais ou mais difundidas e costumam
identificá-los pela sigla e número da especificação.
As especificações mais utilizadas e os produtos por elas normalizados constam do quadro
seguinte, onde inicialmente são apresentados os aços normalizados pela ABNT que possuem
escoamento igual ou superior a 250 MPa e após os aços mais utilizados e normalizados pela ASTM,
DIN e SAE.
Especificação
NBR 6648
NBR 6649
e
NBR 6650
NBR 5000
NBR 5004
Classificação
química
Aço carbono
Aço carbono
Aço de baixa liga
e alta
resistência
mecânica
Aço de baixa liga e alta
resistência mecânica
NBR 5920 e
NBR 5921
Aço de baixa liga e
alta resistência
resistência
NBR 8261
Aço carbono
ASTM A36
Aço carbono
NBR 5008
ASTM A500
ASTM A572
ASTM A992
ASTM A242
ASTM A588
DIN ST-37
DIN ST-52
SAE 1006
1008
1010
1020
Aço carbono
Aço de baixa
liga e alta
resistência
mecânica
resistente à corrosão
alta resist. mecânica
e a corr. atmosférica
aço carbono
alta resistência mecânica
Aços carbonos
Grupo ou
grau
CG 26
CG 28
CF 26
CF 28
CF 30
G-30
G-35
G-42
G-45
F-32/Q-32
F-35/Q-35
Q-40
Q-42
Q-45
CGR 400
CGR 500
CFR 400
CFR 500
B
C
A
B
42
50
60
65
não
estruturais
fy
(MPa)
255
275
260
280
300
300
345
415
450
310
340
380
410
450
250
370
250
310/370
290/317
317/427
250
230
290
290
345
415
450
345 a
450
345
315
290
fu
(MPa)
410
440
400
440
490
415
450
520
550
410
450
480
520
550
380
490
380
450/490
400
427
400
310
400
415
450
485
520
345
485
240
360
160
170
180
240
370
520
280
300
330
390
450
480
460
435
Aplicações e
observações
chapas
grossas
chapas finas
laminadas a
frio e a quente
chapas
grossas
chapas
finas
chapas
grossas
chapas
finas
tubos
geral
perfis
tubulares
perfis,chapas
e barras
perfis
perfis,
chapas,
barras
perfis
geral
geral
chapas,
barras
redondas
10
NBR 8800.2008
1.5.3 – Propriedades e comportamento físico-mecânico dos aços
1.5.3.a - Em Solicitação Uniaxial
O comportamento de um aço sob solicitações simples é influenciado pelas propriedades
físicas e mecânicas, pela temperatura de realização do carregamento e diversas outras variáveis.
Inicialmente, definindo as propriedades mais importantes que são:
Resistência: capacidade de resistir e suportar esforços, de absorver solicitações.
Elasticidade: capacidade de apresentar grandes deformações antes do escoamento.
Resiliência: quantidade de energia elástica absorvida por unidade de volume.
Tenacidade: quantidade de energia, absorvida por unidade de volume.
Ductibilidade: capacidade de se deformar até atingir a ruptura.
Os valores destas propriedades são determinados em ensaios padronizados, que consistem
em submeter um corpo de prova, assim denominada uma parcela representativa do material a ser
classificado, às solicitações para as quais se deseja conhecer o comportamento, que tanto podem
ser tensões de tração, de compressão ou de cisalhamento. Estes valores dependem da composição
química do aço, do processo de laminação, do tratamento térmico e da velocidade de realização dos
ensaios.
O gráfico seguinte apresenta os resultados de um ensaio de tração de um aço carbono,
realizado em temperatura ambiente, onde no eixo horizontal foram registradas as deformações
(alongamento/comprimento inicial) que o corpo de prova sofreu e, no eixo vertical estão registradas
das tensões (força aplicada/área inicial da seção do corpo de prova) que o corpo de prova absorveu.
Diagrama tensão deformação do aço carbono
Analisando a curva de desempenho é possível verificar como as propriedades se encaixam e
definem o comportamento do aço.
A resistência do aço é representada pela curva de desempenho e possui cinco trechos bem
definidos e característicos:
O primeiro começa no início do ensaio e vai até a tensão atingir o valor fp, definida como
tensão limite de proporcionalidade. Neste trecho o comportamento do aço é linear, ou seja, existe
uma relação direta e constante entre as deformações e as tensões. Com o aumento da tensão ocorre
o aumento nas deformações. Este é o trecho definido como região elástica linear.
O segundo trecho começa na tensão fp e termina quando a tensão atinge o valor fy, definida
como tensão limite de escoamento. Neste trecho o comportamento do aço não é mais linear, e a
relação entre as deformações e as tensões varia ao longo do trecho.
O terceiro trecho, que se inicia logo após o valor de fy é formado pelo trecho horizontal da
linha de comportamento e termina quando a mesma reinicia a ascensão. Este é o trecho definido
como de escoamento, ou de patamar de escoamento, onde as deformações aumentam sem aumento
significativo nas tensões. No início deste trecho, as tensões atingem um valor máximo, diminuem
ligeiramente, e para uma considerável deformação, permanecem constantes.
11
NBR 8800.2008
Os limites superior e inferior que as tensões atingem, representam situações transitórias e
resultam da técnica empregada no ensaio, da velocidade de aplicação da força, da forma do corpo de
prova, do grau de precisão do alinhamento do corpo de prova na máquina e, principalmente, da
presença ou não de tensões residuais. Por estes motivos, a tensão correspondente ao patamar se
torna uma característica mais estável, e é esta a tensão utilizada para caracterizar o escoamento.
O quarto trecho, é representado pela parte ascensional da curva até o valor da tensão fu,
definida como de tensão de ruptura do material. Este trecho é definido como de revigoramento, onde
o material apresenta deformações sob aumento das tensões aplicadas, sem apresentar linearidade
entre estes aumentos.
O último trecho, o trecho final, representado pela parte descendente da curva é definido
como de ruptura, quando o material rompe, mesmo com redução da tensão aplicada.
Por este gráfico é possível estabelecer algumas relações que definem valores e ajudam a
entender as características das principais propriedades dos aços, começando por:
A elasticidade, representada pela tangente do ângulo que a reta do primeiro trecho forma
com a horizontal, denominado de módulo de elasticidade longitudinal E = fp/ε .
A resiliência, pelo módulo de resiliência, que é igual à área sob a curva de comportamento
com a horizontal, até o ponto correspondente à tensão de escoamento.
A tenacidade, pelo módulo de tenacidade, que é igual à área sob a curva de comportamento
até o ponto correspondente à tensão de ruptura.
A ductibilidade é medida pela relação entre o alongamento e o comprimento do corpo de
prova, ou pela redução da área da seção transversal do corpo de prova. Esta propriedade é muito
importante porque permite uma redistribuição das altas tensões, freqüentemente encontradas nas
proximidades de furos ou de outras mudanças abruptas de geometria.
Os aços estruturais possuem ductibilidade adequada para os tipos de estruturas nas quais
são comumente empregados, embora não exista consenso de aceitação para o valor mínimo da
ductibilidade que seria exigido das estruturas. Portanto, se a ductibilidade de um aço é adequada a
uma estrutura, é uma avaliação que depende de experiência dessa estrutura em serviço.
Os aços que passam por tratamentos térmicos como tempera ou encruamento por laminação
a frio alteram o seu comportamento mecânico, que se reflete no gráfico de ensaio padronizado, como
mostrado a seguir:
Os aços que passam por tratamentos térmicos como tempera ou encruamento por laminação
a frio alteram o seu comportamento mecânico, que se reflete no gráfico de ensaio padronizado, como
mostrado a seguir:
Diagrama tensão deformação do aço com tratamento térmico
Estes aços, que passaram por tratamento térmico definem curvas tensão-deformação com
transição entre as fases elástica e inelástica mais gradual, não definindo um limite preciso de
escoamento.
Para estes aços, é convencionado que a tensão para a qual o material apresentar uma
deformação especificada, em relação ao comportamento elástico, é definida como resistência ao
escoamento, tendo o mesmo significado no projeto do limite de escoamento.
12
NBR 8800.2008
Esta resistência é geralmente especificada como a tensão correspondente a 0,5% de
alongamento e correspondente a valores que são próximos aos obtidos com o valor de 0,2%, definido
para os aços com esse nível de resistência, mas sem tratamento térmico. As curvas de
comportamento mostram que esses aços são elásticos sob tensões que se aproximam da resistência
ao escoamento, mas não apresentam patamar distinto ou grande deformação antes da ruptura.
Os corpos de prova, submetidos a esforços axiais de tração aumentam de comprimento, mas
reduzem a área, para manter o volume constante. A relação entre a deformação transversal e a axial
é conhecida como coeficiente de Poisson. Para os aços estruturais, a relação é de aproximadamente
0,30 no regime elástico e 0,50 no regime plástico.
Os corpos de prova usualmente não apresentam fraturas em ensaios de compressão, porém
sua altura diminui e suas dimensões laterais aumentam à medida em que a carga é aplicada. Para os
aços estruturais, os valores da tensão de escoamento, do módulo de elasticidade e do coeficiente de
Poisson em compressão, são quase iguais aos valores na tração.
Nos ensaios de cisalhamento, as curvas tensão-deformação são, em geral, semelhantes às
curvas correspondentes às obtidas nos ensaios de tração, e a inclinação do trecho inicial da reta de
um diagrama tensão-deformação para cisalhamento, é o módulo de elasticidade transversal ou
módulo de rigidez (G). De acordo com a teoria da elasticidade, o módulo de rigidez está relacionado
ao coeficiente de Poisson  e ao módulo de elasticidade E, pela relação:
G = E / 2 (1 +  )
As propriedades físicas e mecânicas dos aços, constam das especificações dos fabricantes e
das normas técnicas respectivas. A NBR 8800 fornece os seguintes valores, no item 4.5.2.9.
Módulo de elasticidade longitudinal, E = Ea = 200.000 MPa
Coeficiente de Poisson,  a  0,3
Coeficiente de dilatação térmica,  a  1, 2  10  5  C  1
Módulo de Elasticidade Transversal, G = 77.000 MPa
Massa específica, g a  77 kN / m
3
1.5.3.b - Estado Múltiplo de Tensões
No estado múltiplo de tensões, quando as tensões podem agir simultaneamente em um
ponto e em mais de uma direção principal, o escoamento dos aços estruturais, pode ocorrer com
tensões que não são iguais às tensões de escoamento no estado simples de tensão.
A definição do estado de escoamento para o caso de solicitação axial é resolvida a partir de
ensaios que mostram que o material efetivamente escoa sob a tensão fy. No entanto, executar
experiências para a situação múltipla é praticamente impossível. Desse modo, o método utilizado
para a determinação do estado de escoamento, a partir de certos critérios pré-formulados, procura
determinar o estado de escoamento como uma função das tensões principais , comparando
esta função com o valor experimental conhecido fy. Esta função das tensões principais é chamada de
função de plastificação.
A comparação entre a combinação das tensões principais e a tensão de escoamento uniaxial
é feita a partir da introdução do conceito da equivalência de plastificação, que permite dizer que um
material entra em estado de plastificação quando existir uma função  das tensões principais:
{ = ()}
para  < 0 o material está em regime elástico;
para  = 0 o material está em regime plástico;
para > 0 a situação é impossível.
Existem diversos critérios para definir quando um material entra em regime plástico, para se
definir a função . Atualmente as normas técnicas utilizam o critério de von Mises ou da Energia de
Distorção. Este critério se baseia no fato de que, quando o material entra em estado plástico, ele
passa a não mais apresentar variação de volume mas apenas de forma, de modo que a expressão
do trabalho efetuado pelos esforços internos pode ser escrita como:
Ti 

1 
1   2 2  1  3 2   2  3 2
6E

13
NBR 8800.2008
Segundo este critério, “dois corpos, independentemente do estado de tensão, são
considerados como plastificando-se de modo equivalente se o valor do trabalho de variação de forma
for o mesmo”. Para um corpo sob ações combinadas, a expressão do trabalho é a anterior, para o
corpo equivalente, sob solicitação simples é:
Ti 
1  2 1  2
2f y
1 
6E
6E
Portanto, igualando as expressões anteriores, a função ϕ será:


   1   2 2   1   3 2   2   3 2  2 f y2
e o material entrará em estado plástico quando  = 0.
No caso de flexão simples ocorrem apenas as componentes normal e tangencial (σ e
 max 

).
f y2  3 2
Esta equação tem 2 casos particulares importantes:
a) Quando

= 0, isto é, só atuam tensões normais: σmax = fy
b) Quando σ = 0, isto é, no caso de cisalhamento puro:
No caso de solicitação plana encontra-se: f y 

max
= fy /
3
     1 3
2
1
2
3
Caso as tensões sejam de sinal contrário, ocorre a plastificação para valores de σ1 inferiores a fy e se
forem de mesmo sinal, σ1 terá valor maior que fy.
1.5.3.c - Sob Temperaturas Elevadas
O comportamento dos aços sujeitos a solicitações de curta duração a temperaturas elevadas,
é semelhante ao comportamento à temperatura ambiente, porém, a forma da curva tensãodeformação e os valores das propriedades citadas anteriormente, mudam à medida em que a
temperatura aumenta, a curva tensão-deformação torna-se mais arredondada e as resistências ao
escoamento e à tração ficam geralmente reduzidas.
De forma semelhante o módulo de elasticidade diminui de modo significativo. A variação no
módulo de elasticidade transversal G com a temperatura é semelhante à variação para o módulo de
elasticidade E, porém, o coeficiente de Poisson não varia nessa faixa de temperatura.
A ductibilidade dos aços estruturais diminui com o aumento da temperatura, até atingir um
valor mínimo (cerca de 60% do valor à temperatura ambiente para o aço carbono) e daí em diante
aumenta.
O efeito exato depende do tipo e da espessura do aço. A diminuição de ductibilidade é
o
causada pelo envelhecimento e é mais pronunciada na faixa, de temperaturas de 150 a 370 C. O
envelhecimento também é levado em conta no acréscimo de resistência à tração nessa mesma faixa
de temperatura.
Além do envelhecimento, existe um número considerável de fenômenos metalúrgicos que
podem afetar as propriedades mecânicas do aço tais como fragilidade por têmpera, fratura frágil e
instabilidade dos carbonetos.
Para os aços estruturais, esses fenômenos não são geralmente importantes na maioria das
aplicações que envolvem temperaturas abaixo de aproximadamente 540oC. Entretanto, deve ser
notado que os aços-liga para construção tratados a quente, não são recomendados para aplicações
onde a temperatura do metal ultrapasse 425oC.
A oxidação, um tipo de corrosão que causa produção de escamas em aços sujeitos a
intempéries, é especialmente importante no caso de temperaturas elevadas. A resistência dos aços à
oxidação depende da sua composição. Para os aços estruturais, a oxidação por intemperismo é
desprezível a temperaturas abaixo de aproximadamente 540oC, porém aumentam rapidamente a
temperaturas elevadas.
O comportamento dos aços, sujeitos a solicitações de longa duração, depende de modo
significativo da temperatura. Quando uma carga inferior à carga última for aplicada ao corpo de prova
à temperatura ambiente, o corpo de prova se deforma de modo relativamente rápido até atingir um
ponto de equilíbrio e, daí em diante a deformação permanece constante no tempo.
14
NBR 8800.2008
De forma semelhante, quando a carga for aplicada a um corpo de prova à temperatura
elevada, a deformação é rápida no início, porém, continua a aumentar lentamente com o tempo. A
deformação inicial ocorre quase que instantaneamente e é seguido de três estágios, nos quais a
deformação aumenta, porém a taxas menores (Estágio 1), aumenta a uma taxa aproximadamente
constante (Estágio 2), e a taxas maiores (Estágio 3).
No instante da ruptura (ruptura por deformação lenta) a carga é menor que a que causaria
ruptura àquela temperatura num ensaio com uma carga de curta duração.
Para um aço estrutural, a curva de deformação lenta por compressão seria semelhante à
curva para deformação lenta por tração, exceto que não haveria uma região onde a deformação
aumentasse a uma taxa maior, tal como o terceiro estágio da curva de deformação lenta por tração, e
não haveria um ponto de fratura. Entretanto a deformação lenta poderia contribuir para a ruína por
flambagem de barras comprimidas.
Da análise dos resultados obtidos em ensaios de deformação lenta e ruptura de um
determinado aço é possível obter:
1) a tensão correspondente a um dado valor de deformação lenta para um dado tempo a uma
dada temperatura e;
2) a tensão que causaria a ruptura para um dado tempo para uma dada temperatura.
Para aplicações especiais a temperaturas elevadas, se os aços estruturais não possuírem
propriedades adequadas, podem ser substituídos por um grande número de aços-liga e aços
inoxidáveis com propriedades excelentes à alta temperatura.
A deformação lenta também pode ocorrer por solicitação de cisalhamento.
1.5.3.d - Com Variação da Velocidade de Aplicação das Ações
As propriedades mecânicas, até agora referidas, são as obtidas em ensaios com deformação
relativamente lenta, isto é, a taxas que não ultrapassam a taxa máxima de tensão de 700 MPa por
minuto, permitida pela norma de ensaio. As propriedades estabelecidas com velocidades lentas, são
usadas para o projeto da maioria das estruturas comuns.
Nos casos de cargas que produzem choque ocorre uma velocidade de deformação maior,
que altera as propriedades mecânicas. A determinação da maioria das propriedades mecânicas com
velocidades de deformação altas é feita por ensaios em equipamentos adaptados para movimentos
rápidos, que aplicam solicitações ao corpo de prova com velocidade relativamente uniformes ou por
ensaios de impacto que produzem tração ou compressão. Outra forma de determinar estas
propriedades é por ensaios de impacto que produzem tração ou compressão, onde o corpo de prova
é colocado num dispositivo especial que produz deformações contínuas ou, então, deformações com
impactos sucessivos.
O comportamento observado em
ensaios rápidos de tração é geralmente
semelhante ao que se observa nos ensaios
de impacto que produzem tração. Tem sido
verificado também que o comportamento de
metais sob ações dinâmicas de tração são
muito semelhantes. Por conseguinte, os
resultados de ensaios de impacto que
produz tração são usados para ilustrar o
comportamento geral de um aço solicitado a
altas taxas de deformação.
Tanto a resistência ao escoamento
como à tração, de corpos de prova sujeitos à
ação
dinâmica
de
choques,
são
substancialmente mais elevadas que os
valores correspondentes observados em
ensaios estáticos. Maiores acréscimos são
obtidos em barras deformadas a maiores
velocidades de deformação.
15
NBR 8800.2008
A tendência geral de aumento da resistência à tração e ao escoamento foi confirmada para
aços estruturais submetidos a ensaios rápidos de tração, com corpos de prova de aços carbono e
aços-liga tratados a quente.
As curvas obtidas nestes ensaios indicam que a resistência à tração e a resistência
correspondente a 0,2% da deformação dos aços, aumentam com o aumento da velocidade de
deformação à –45oC e à temperatura ambiente. Os maiores acréscimos encontrados na resistência à
tração foram aproximadamente de 15% para o aço-liga tratado a quente, enquanto que os maiores
acréscimos observados na resistência ao escoamento foram de cerca de 48% para o aço carbono.
Entretanto a 316oC, maiores acréscimos na velocidade de deformação tiveram pequena influência na
resistência ao escoamento, porém causaram, na maioria dos aços, pequeno decréscimo na
resistência à tração. A ductibilidade dos aços não foi afetada pela velocidade de deformação. Outros
ensaios indicaram que o módulo de elasticidade e o coeficiente de Poisson não variaram de modo
significativo com a velocidade de deformação.
1.5.3.e - Sob Tratamento a Frio
Na fabricação de estruturas metálicas, freqüentemente são usados perfis de chapas e vigas
retas formados à temperatura ambiente nos vários formatos desejados por meio de corte,
dobramentos e puncionamentos. Essas operações de conformação a frio, obviamente causam
deformações anelásticas, uma vez que o aço retém a forma que lhe foi dada.
Para ilustrar os efeitos gerais de tais deformações na resistência e ductibilidade, considera-se
o comportamento elementar de um corpo de prova tracionado de aço carbono, levado à deformação
plástica e subseqüentemente recarregado, observando que o comportamento de elementos de
estruturas de aço formados a frio pode, muitas vezes, ser muito mais complexo.
Se o corpo de prova for descarregado após ter
sido solicitado ou no regime plástico ou no encruamento,
a curva de descarga seguirá uma trajetória paralela à
parte elástica da curva de tensão-deformação, e por
conseguinte, após a remoção da carga, uma deformação
residual permanecerá no material.
Se o corpo de prova for imediatamente
recarregado, sua tensão seguirá a curva de descarga até
a curva virgem tensão-deformação do material. Se o
valor da deformação plástica for inferior à
correspondente ao início do encruamento, a resistência
ao escoamento do aço praticamente deformado será
aproximadamente igual à do material virgem.
Entretanto, se o valor da deformação plástica for
suficiente para provocar encruamento, a resistência ao
escoamento do aço ficará aumentada.
Em qualquer caso, a resistência à tração
permanecerá a mesma, porém diminuirá a ductibilidade que passa a ser medida a partir do ponto de
recarregamento. O decréscimo em ductibilidade é aproximadamente igual ao valor da prédeformação anelástica.
Um corpo de prova que tenha sido deformado
até o ponto de encruamento, a seguir for descarregado
e deixado envelhecer por vários dias à temperatura
ambiente (ou por períodos mais curtos, a temperaturas
moderadamente elevadas), tenderá a seguir uma
trajetória paralela à trajetória do material virgem
durante um novo carregamento, porém atingirá valores
mais altos. Esse fenômeno, conhecido como
envelhecimento, produz aumento na resistência ao
escoamento e à tração, mas ao mesmo tempo diminui
a ductibilidade do material.
Os efeitos do trabalho a frio na resistência e na
ductibilidade dos aços estruturais podem ser
eliminados em grande parte por alívio térmico de
tensões, ou por recozimento.
16
NBR 8800.2008
Se um corpo de prova que tenha sido deformado plasticamente à tração for descarregado e
for subseqüentemente deformado em compressão, a curva de deformação na compressão desvia-se
da relação linear, para valores situados bem abaixo da resistência ao escoamento do material virgem,
porém, se a deformação for suficientemente grande eventualmente o material atingirá uma tensão
igual à tensão de escoamento do material virgem.
O mesmo efeito pode ser observado,
caso o corpo de prova for em primeiro lugar
deformado à compressão e depois à tração.
Esse fenômeno de redução do módulo de
elasticidade (tangente à curva tensãodeformação) é conhecido como efeito
Bauschinger e pode ser de interesse nos
casos onde a flambagem ou as flechas são
importantes.
Se a carga de tração for aplicada
após o corpo de prova ter sido carregado
primeiro em tração e depois em compressão,
a curva tensão-deformação de desviará outra
vez da relação linear, com tensões bem
abaixo do ponto da resistência ao
escoamento do material virgem, porém voltará
ao ponto de tensão e deformação máximas do
primeiro ciclo de carregamento de tração.
Ensaios indicaram que a curva de tensão-deformação para ciclos subseqüentes de
carregamentos alternados de tração e compressão, tenderá a seguir a mesma trajetória da curva do
primeiro ciclo de carregamento, desde que as deformações máximas não aumentem além daquelas
do primeiro ciclo, e que os efeitos de envelhecimento entre os ciclos sejam eliminados.
O efeito Bauschinger pode também ocorrer em corpos de prova deformados em uma direção
e, subseqüentemente, solicitados numa direção perpendicular à primeira, ou em corpos de prova
sujeitos a estados duplos ou triplos de tensões.
O valor do desvio em relação à tração linear causado pelo efeito Bauschinger, varia de
acordo com o valor da pré- deformação.
Ensaios em chapas finais de aço carbono mostraram que, às vezes, o envelhecimento tende
a restaurar a forma original de curva tensão-deformação.
1.5.3.f - Tensões Residuais
São denominadas tensões residuais as tensões internas existentes nos elementos não
carregados, devidas às operações de fabricação, tais como dobramento, desempenamento, corte a
maçarico, solda, resfriamento após laminação, etc.
Em perfis laminados, as
tensões residuais se originam de
deformações plásticas que a peca
apresenta durante o resfriamento.
As regimes da seção que se
resfriam mais lentamente (as partes
mais interiores) ficam submetidas a
tensões de tração, enquanto que as
partes exteriores, que se resfriam
mais rapidamente, ficam submetidas
a tensões de compressão.
As pesquisas feitas sobre
tensões
residuais
em
perfis
laminados mostraram que o valor
máximo das tensões residuais de
2
compressão variam entre 7kN/cm e
2
,
dependendo
da
14kN/cm
espessura dos elementos dos perfis.
17
NBR 8800.2008
Do mesmo modo para os perfis soldados, apenas as regiões próximas às soldas estão
sujeitas a altas temperaturas e, ao resfriarem, submetem o restante da seção a tensões residuais de
compressão, ficando por sua vez submetidas a tensões residuais de tração bastante elevadas, em
geral, em torno do limite de escoamento do material.
A NBR-8800.2008 adota 0,3% da tensão de escoam ento para o valor das tensões residuais.
Estudos mostram que as tensões residuais devidas ao resfriamento são as mais importantes
para o estudo da resistência dos elementos e, portanto, apenas os efeitos deste são considerados.
As experiências também têm mostrado que as tensões residuais não têm nenhum efeito
prejudicial sobre a capacidade suporte das pecas, exatamente porque o estado de tensões na seção
é equilibrado.
No entanto, a presença de tensões residuais modifica a forma do diagrama tensãodeformação resultante do ensaio de uma peca laminada ou soldada, o que terá influencia sobre o
comportamento de flambagem das pecas comprimidas.
1.5.3.g - Sob Solicitações Alternadas ou Repetidas
Um elemento estrutural sujeito a tensões alternadas ou repetidas, poderá eventualmente
romper, mesmo que a solicitação máxima aplicada seja inferior à resistência ao escoamento do
material. Esse fenômeno é conhecido como fadiga. O comportamento à fadiga de elementos
estruturais é afetado pelas condições de superfície e de tensões e a ruína pode ser avaliada em uma
série de ensaios em corpos de prova de viga rotativa, de flexão ou de carregamento axial.
No ensaio de viga rotativa, um corpo de prova polido, de seção circular, e apoiado como uma
viga, tendo uma das seções transversais reduzida, é submetido a uma momento fletor, enquanto gira
de tal modo que suas fibras fiquem sujeitas, alternativamente, a tensões de compressão e de tração
de mesmo valor.
Nos ensaios de flexão, o corpo de prova é fletido alternativamente ao invés de ser girado, e
no ensaio de carregamento axial, o corpo de prova pode ser circular ou retangular, cortado de uma
chapa de modo que a superfície usinada permaneça intacta. No ensaio de viga rotativa, a relação de
tensões R, que é a relação entre a tensão mínima e a máxima, é igual a -1. Nos outros dois ensaios
pode ser analisado o efeito das várias relações entre tensões. Além disso, nos corpos de prova
ensaiados à flexão ou pelo método da viga rotativa, existe um gradiente de tensões ao longo da
seção transversal, ao passo que no ensaio com carregamento axial, as tensões são uniformemente
distribuídas na seção.
Em cada um dos
ensaios, o corpo de prova é
submetido a solicitações
alternadas que variam entre
limites fixos que produzem
tensões
máximas
e
mínimas, até que ocorra a
ruína. Esse procedimento é
repetido em outros corpos
de prova com a mesma
relação de tensões, porém
com níveis diferentes de
tensões máximas.
Os resultados dos
ensaios são representados
num gráfico sob forma de
uma curva "S-N", onde S
representa a tensão máxima
durante um ciclo e onde N
representa o número de
ciclos necessários para causar a ruína.
Um ponto qualquer da curva, representa a "resistência à fadiga" do aço ensaiado que é o
valor da tensão máxima que causa ruína para um dado número de ciclos de tensões, para uma dada
relação de tensões. O número de ciclos é a "vida à fadiga", isto é, o número de ciclos de tensões que
causa a ruína, para uma dada tensão máxima e relação de tensões.
18
NBR 8800.2008
A resistência à fadiga de um aço estrutural diminui, caso o número de ciclos aumente, até
que seja atingido o "limite de fadiga". Se a tensão máxima não ultrapassar o limite de fadiga, um
número ilimitado de ciclos de tensões poderá ser aplicado com aquela relação de tensões, sem que
ocorra a ruína.
Ensaios feitos em um grande número de aços, com resistência à tração de até 1400 MPa. indicaram
que o limite de fadiga de corpos de prova ensaiados pelo método da viga rotativa é cerca da metade
da resistência à tração.
O limite de
fadiga
obtido
de
ensaios feitos pelo
método
de
vigas
rotativas polidas é
aproximadamente
o
mesmo obtido para
corpos
de
prova
polidos
carregados
axialmente,
embora
seja
diferente
a
resistência à fadiga, se
aplicado
um
for
pequeno número de
ciclos.
A influência da relação entre tensões na resistência à fadiga, é indicada pelas curvas S-N,
para corpos de prova polidos, ensaiados com carga axial e feitos com aço-liga de alta resistência.
As curvas indicam que a resistência à fadiga diminui significativamente à medida em que
diminui a relação entre tensões.
Essas curvas S-N podem ser usadas para traçar um gráfico de fadiga, para os corpos de
prova polidos, feitos de aço-liga de alta resistência, cada curva desse gráfico representa o lugar
geométrico de todas as combinações de tensões máximas e mínimas para as quais ocorrerá à ruína,
correspondente ao número de ciclos indicados nas curvas. Podem ser traçadas retas a partir da
origem, que representam as diversas relações entre tensões.
Esses gráficos são úteis para determinar a resistência à fadiga correspondente a outras
relações entre tensões, diferentes daquelas para as quais os ensaios foram feitos.
Sintetizando o que foi escrito, pode-se fazer:
- Se σmax e σmin são as tensões limites a que é submetido o material, a semi-soma.
 max   min
2
será a tensão média, e a semi-diferença
m 
m 
 max   min 

2
2
será a amplitude da variação das tensões. De acordo com essas definições, tem-se:
 max   m   a
 min   m   a
Reserva-se o termo solicitação alternada para o caso particular em que a tensão média seja nula.
 max   min
Ao caso particular em que uma das tensões extremas (σmax ou σmin) seja nula, dá-se o nome
de solicitação repetida.
O tipo de ciclo pode ser avaliado mais facilmente fazendo-se:

R  max
 min
Para R = -1 tem-se ciclo simétrico
R < 0 tensões com sinais diferentes
R > 0 só tensões positivas
R = 0 σmin = 0
19
NBR 8800.2008
Uma série de ensaios, realizados em corpos de prova submetidos a flexão alternada (para
diversos valores de momento fletor), em corpos de prova iguais, observa-se que para valores
pequenos do número N de solicitações a tensão σmax que provoca a ruptura decresce rapidamente
porém, depois de um determinado número de milhões de ciclos, σmax se mantém praticamente
constante e a curva se aproxima assintóticamente da reta σmax = σf , paralela ao eixo das abscissas.
Isto quer dizer, em outras palavras, que existe um valor σmax = σf para o qual o material não rompe,
quando submetido a solicitações alternadas, qualquer que seja o número de solicitações aplicado.
A σf dá-se o nome de tensão de fadiga do material. No caso dos aços, o valor da relação σf
/σR é da ordem de 0,5 (σR é a tensão de ruptura obtida em ensaios onde a carga é aplicada
estaticamente). O valor de N para o qual a curva pode ser admitida como confundida com a assíntota
varia, no caso dos aços, entre 6 a 10 milhões de ciclos.
Observe-se que os ensaios mencionados referem-se unicamente ao caso de solicitações
alternadas (σmax = σmin). Nos estudos sistemáticos sobre o caso de solicitações cíclicas, distingue-se,
em primeiro lugar, Wohler; de suas experiências resultou que, para cada valor de å, existe para
determinado material, uma amplitude máxima å necessária para produzir a ruptura, isto é, fixado σm:
 max   min
  am
2
o material não rompe qualquer que seja o número de solicitações cíclicas que se lhe aplique.
Segundo Gerber o valor dessa amplitude, a que corresponde, para cada tensão média σm , a ruptura
por fadiga, está ligado a σm pela seguinte lei parabólica.
 am
 
  f 1   m
   R



2



Vê-se portanto que a amplitude σam é máxima no caso de solicitação alternada (σm = 0 e σam = σf ),
decresce à medida que aumenta o valor de σm e se torna nula quando σm = σR .
Ensaios mais recentes, porém, tem mostrado que não existe lei de caráter geral relacionando
os valores da amplitude σaf e da tensão média σm . Assim, existem materiais para os quais busca-se
representar melhor a relação entre σam e σm do que a parábola de Gerber.
Melhor idéia se faz da variação das tensões extremas σmax = σm + σam e σmin = σm - σam com a
representação gráfica de Goodman, onde a reta OB, inclinada de 45o em relação aos eixos
coordenados, corresponde à tensão média å e as curvas representam as tensões å e å
respectivamente. As curvas cortam o eixo das ordenadas em pontos que correspondem à tensão de
fadiga σf . Um segmento representa a tensão limite no caso de solicitação repetida (σmin = 0 ). As
curvas serão parabólicas se a lei de variação da amplitude com a tensão média σm for representada.
Se essa lei for linear as curvas em questão serão substituídas pelos segmentos retos. O gráfico
apresenta ainda a vantagem de resolver o seguinte problema: dada uma das tensões σmax , σmin ou
σm , como determinar o valor limite das outras duas.
Para explicar o fenômeno
da fadiga propôs Bauschinger uma
teoria que depois foi retomada por
Bairstow; baseia-se ela nas
seguintes
experiências:
Submetendo-se um corpo de prova
de aço a solicitações alternadas de
tração
e
compressão,
a
elasticidade perfeita deve ser
caracterizada pela volta (quando se
retira a carga aplicada) às mesmas
dimensões iniciais do corpo de
prova.
A experiência mostra porém, que a
curva
tensão-deformação
correspondente
ao
descarregamento não coincide com
a do carregamento; a esse
fenômeno dá-se o nome de histerese.
Para o caso de ensaios realizados em diferentes valores de σmax , a área da histerese aumenta à
medida que cresce o valor de σmax .
20
NBR 8800.2008
Realizando-se então uma série de ensaios de solicitação alternada, para diferentes valores
de σmax , pode-se traçar diversos diagramas e determinar para cada caso o valor correspondente de
deformação residual(c).
De posse desses diagramas pode-se traçar um gráfico onde se representa em abscissas, o
valor de å e em ordenadas o valor de c correspondente. Segundo as experiências de Bairstow obterse-á uma linha reta que corta o eixo das abscissas num ponto que corresponde à tensão de fadiga å .
A teoria de Bauschinger e Bairstow estabelece que os "limites de elasticidade" à tração e à
compressão de um determinado material não são fixos; podem ser modificados quando se submete o
material a ciclos de tensões.
Para explicar o fenômeno de que a tensão de fadiga do aço é menor do que o seu "limite de
elasticidade", obtido em ensaios onde a carga é aplicada estaticamente, admite Bauschinger que o
material quando recebido da fábrica tenha os seus limites de elasticidade à tração e à compressão
modificados pelo tratamento a que foi submetido e que os "limites reais de elasticidade" são aqueles
que se estabelecem depois que se submete o material a solicitações alternadas; os "limites reais de
elasticidade" é que determinam a tensão de fadiga do material.
Portanto, conclui-se que o fenômeno da fadiga surge e é influenciado pelos fatores:
- Ocorrem tensões alternadas (de sinais contrários) ou tensões de tração com grande
variabilidade ao longo do tempo. (R)
- Número de ciclos destes carregamentos (N);
- Diferenças entre as tensões máximas (∆σ);
- Condições de superfície, tensões residuais descontinuidades geométricas, etc.
- Quando só ocorrem tensões de compressão mesmo variáveis no tempo, não ocorre ruptura
por fadiga, podendo formarem-se algumas trincas que não se propagam.
As normas, de um modo geral, determinam reduções nas tensões máximas que podem ser
aplicadas a elementos sujeitos ao fenômeno da fadiga, em função da variação de tensões Då, do
número de ciclos N e do tipo de superfície ou entalhe.
1.5.8- Fratura Frágil
Na medida em que a temperatura diminui, nota-se, em geral, que há um acréscimo na
resistência ao escoamento, na resistência à tração, no módulo de elasticidade e na resistência à
fadiga dos aços estruturais, contrariamente, a ductibilidade diminui.
Entretanto, existe uma temperatura abaixo da qual um aço estrutural sujeito à tração pode
fraturar por clivagem, ao invés de cisalhamento, com pequena ou praticamente sem nenhuma
deformação plástica, que geralmente precede a ruptura.
A fratura que ocorre por clivagem com tensões nominais de tração inferiores à resistência ao
escoamento, é geralmente denominada fratura frágil, que também pode ocorrer em aços estruturais
submetido a um número suficiente de combinações adversas de tensões de tração, temperatura e
descontinuidades geométricas (entalhes).
Devido ao fato de existir uma inter-relação entre esses efeitos, não pode ser determinada a
combinação exata de tensão, temperatura, efeitos de entalhe e outras condições que poderão causar
fratura frágil numa dada espessura. Em geral, é aceito o fato de que a deformação plástica somente
pode ocorrer em presença de tensões de cisalhamento que estão sempre presentes em estados
simples e duplos de tensões.
Entretanto, no estado triplo de tensões, a tensão máxima de cisalhamento aproxima-se de
zero, a medida em que as tensões principais aproximam-se de um valor comum e, com tensões
iguais de tração, a ruína ocorre por clivagem ao invés de cisalhamento. Conseqüentemente, o estado
triplo de tensões de tração deve ser evitado, por causar fratura frágil.
O estado triplo de tensões pode ser conseqüência de um estado simples, quando entalhes ou
descontinuidades geométricas estiverem presentes num elemento da estrutura. Se uma barra que
possui um entalhe transversal for sujeita a uma forca axial de tração, o efeito de concentração de
tensões causado pelo entalhe resulta em tensões axiais mais altas no vértice do entalhe e tensões
axiais mais baixas no material adjacente.
Além das tensões axiais de tração, originam-se tensões de tração na direção da largura e da
espessura, de forma que ocorre um estudo triplo de tensões nas proximidades do vértice do entalhe.
21
NBR 8800.2008
O efeito de descontinuidade geométrica numa estrutura é, em geral, semelhante, embora não
necessariamente tão severo quanto ao efeito do entalhe em uma barra.
Exemplos de descontinuidades geométricas são encontrados, às vezes, em estruturas mal
detalhadas, tais como as que apresentam mudanças abruptas de seção transversal, acessórios
soldados a mesas tracionadas, recortes feitos com cantos vivos e defeitos de fabricação, tais como
fissuras em soldas, rebaixos, toques de arco elétrico e rebaixos causados pelo mau emprego de
marteletes usados na remoção de saliências.
Também o aumento na velocidade de deformação tende a aumentar a possibilidade de
fragilidade. Por conseqüência, estruturas sujeitas a carregamentos rápidos, são mais suscetíveis a
fratura frágil. O trabalho a frio e o envelhecimento que normalmente se segue, geralmente aumentam
a possibilidade de fratura frágil.
Esse comportamento é geralmente atribuído à redução na ductibilidade já mencionada. O
efeito do trabalho a frio que ocorre nas operações de conformação a frio, pode ser minimizado pela
escolha de maiores raios de dobramento que limitam o valor da deformação.
A deformação que pode ser tolerada, depende tanto do aço quanto da aplicação. Um tipo de
efeito de trabalho a frio mais severo, porém localizado é o que ocorre na borda de furos puncionados
ou nas arestas cortadas a tesoura.
Esse efeito pode ser eliminado no caso de furos, substituindo-se o furo puncionado pelo
broqueado ou por alargamento de furos puncionados e nas bordas cortadas por tesoura, por
usinagem ou esmerilhamento. Golpes severos de martelo poderão também representar um caso de
trabalho a frio que tende a reduzir a tenacidade do aço.
Quando existirem tensões residuais, tais como as que resultam da soldagem, que se somam
aos efeitos das solicitações aplicadas, a tensão final de tração na barra da estrutura, poderá ser
maior do que a que resulta da solicitação aplicada. Conseqüentemente, a probabilidade de ocorrer
fratura frágil numa estrutura que possua tensões residuais elevadas, é geralmente, diminuída pela
aplicação de tratamento térmico para alívio de tensões. Naturalmente, nem sempre tal tratamento é
necessário, pois que depende da aplicação específica considerada.
Devem ser evitados durante a soldagem, impedimentos à deformação da peca, contribuindo
desta forma para minimizar tensões residuais.A soldagem também pode contribuir para o problema
de fratura frágil, com a introdução de entalhes e defeitos na estrutura e por causar mudança
desfavorável na microestrutura do material.
Entretanto, soldas adequadamente dimensionadas, executadas dentro da boa prática de
soldagem, podem minimizar os efeitos prejudiciais mencionados. Devem ser escolhidos eletrodos
adequados de forma que o metal da solda seja tão imune à fratura frágil quanto o metal base.
Alguns aços são mais resistentes à fratura que outros, quando sujeitos a efeitos adversos de
temperatura, entalhe e condições de carregamento. Numerosos ensaios foram desenvolvidos para
avaliar a susceptibilidade dos aços à fratura frágil, isto é, para atribuir um valor numérico que indica a
susceptibilidade relativa de cada aço ao efeito de fratura frágil.
Um desses ensaios e o mais comumente usado, é o ensaio de impacto com o pêndulo de
Charpy em entalhes em "V". Esse ensaio serve especificamente para avaliar a resistência à fratura
em presença de um entalhe.
Nesse ensaio, o corpo de prova consiste de uma pequena barra de seção transversal, e que
possui um entalhe em "V" de dimensões especificadas, situado no centro da barra, que fica
simplesmente apoiada nas suas extremidades como se fora uma viga, e que é fraturada pelo impacto
de um pêndulo.
A energia necessária para fraturar o corpo de prova, pode ser calculada em função da altura
de oscilação do pêndulo após a ruptura do corpo de prova, ou pela aparência da superfície fraturada,
determinada para uma faixa de temperaturas.
A aparência da superfície fraturada é geralmente expressa em porcentagem da superfície
que pareça ter sido fraturada por cisalhamento, identificada por aparência fibrosa. A aparência
brilhante ou cristalina é associada à fratura por clivagem. Esses dados são usados para o traçado de
curvas, que indicam a energia ou porcentagem de fratura por cisalhamento, em função da
temperatura.
A melhor orientação para a escolha de um aço, que seja adequado para uma dada aplicação,
é a experiência adquirida em estruturas existentes ou em estruturas do passado. O aço ASTM A36 é
o que possui uma das menores resistência à fratura frágil comparada com outros aços, mas tem sido
empregado com sucesso num grande número de estruturas, como edifícios, torres de transmissão e
pontes, mesmo a baixas temperaturas como as encontradas em países de clima frio.
22
NBR 8800.2008
Por conseguinte, tudo indica que qualquer aço estrutural, quando usado em estruturas
adequadamente projetadas e fabricadas, pode ser usado em aplicações semelhantes, com pequena
probabilidade de ocorrência de fratura frágil.
Conseqüentemente a fratura frágil não é normalmente considerada em tais estruturas a não
ser que esteja presente uma combinação de baixa temperatura, entalhes e tensões elevadas. Apesar
disso é sempre desejável evitar ou minimizar as condições adversas citadas anteriormente, que
possam aumentar a susceptibilidade à fratura frágil.
1.5.9- Fratura Lamelar
As informações referentes à resistência e à ductibilidade apresentadas nos itens anteriores,
geralmente são aplicáveis a carregamentos que agem em direção paralela à da laminação da chapa
ou perfil. Deve ser notado que o alongamento e a redução de área podem ser significativamente
menores no sentido da espessura que do comprimento.
Essa dependência de sentido não é de importância na maioria das aplicações, porém tornase bastante importante no projeto e na fabricação de estruturas com elementos maciços e com juntas
soldadas com alto grau de impedimento à deformação.
Recentemente, com a tendência de usar construção soldada com chapas de grande
espessura, tem surgido com freqüência problemas identificados com fraturas lamelar, em juntas de
estruturas soldadas, com alto grau de impedimento à deformação.
Locais de possíveis aparecimento de fraturas lamelares
A restrição à deformação, existente em certos detalhes de ligações, que se contrapõe à
retração da solda, pode induzir tensões de tração suficientemente altas que podem causar separação
ou fratura, segundo planos paralelos à superfície laminada do elemento soldado.
A incidência desse fenômeno pode ser reduzido ou mesmo eliminada por projeto e
detalhamento adequados e pelo uso de técnicas de soldagem apropriadas.
Devem portanto ser observadas as seguintes recomendações:
a) Reduzir tanto quanto possível o grau de impedimento da ligação.
b) Reduzir espessuras de chapas e evitar perfis com grandes espessuras de mesas.
c) Adotar uma seqüência de soldagem de forma a iniciar a solda na parte mais rígida,
caminhando para a parte mais flexível da ligação.
d) Adotar temperaturas corretas de pré-aquecimento e de interpasse.
e) Após o término da soldagem, controlar o processo de arrefecimento de modo que ele seja
tão lento quanto possível.
f) Para todos os estágios de fabricação, manter constante controle tecnológico.
g) Não usar soldas de penetração total quando apenas soldas de filete possam desempenhar
a mesma função em igualdade de condições.
h) Evitar o uso indiscriminado de enrijecedores de alma de perfis.
23
NBR 8800.2008
Como controle tecnológico, antes da soldagem, deve ser investigada a possível existência de
descontinuidade de laminação, inclusões de escória e outros defeitos que, após a soldagem,
poderiam ser interpretados erroneamente como fraturas lamelares.
Também o controle de resfriamento, quando as chapas a serem soldadas foram préaquecidas deve ser feito com aquecedores do tipo cobertor elétrico ou cobertor de amianto.
Além disso, os aços podem ser especificados de forma que sejam produzidos por práticas e
métodos especiais e/ou processos que melhorem a ductibilidade no sentido da espessura e
contribuam para reduzir a incidência de fratura lamelar.
Entretanto, a menos que sejam tomadas precauções especiais tanto no projeto quanto na
fabricação, a fratura lamelar ainda poderia ocorrer em chapas espessas e perfis pesados feitos com
esses aços fabricados por processos especiais, em ligações impedidas no sentido da espessura.
1.5- PRODUTOS DO AÇO
Portanto, o aço é obtido a partir do ferro, encontrado sob a forma de minério e transformado
em meta. A seguir é transformado em aço e posteriormente o aço é moldado nas formas que mais
interessa às construções de aço, que são as chapas e de perfis.
1.5.1 - SEÇÕES DOS PERFIS
Perfis soldados.
São fabricados a partir de chapas de aço, soldadas entre si, e foram muito utilizados em
substituição aos perfis laminados, que não eram produzidos nas nossas usinas. Esta fase de
substituição perdurou até a entrada em operação dos laminadores da Açominas.
Atualmente são indicados apenas nos casos em que as dimensões necessárias ultrapassam
as dimensões dos perfis laminados. As seções mais utilizadas e padronizadas pela ABNT, destinamse a aplicação como colunas, os chamados perfis CS, (coluna soldada), para aplicação como vigas,
os VS (viga soldada) e os intermediários entre viga e coluna os CVS.
Estes perfis, embora padronizados, podem ser fabricados com qualquer dimensão,
dependendo apenas da capacidade dos equipamentos de solda e de manuseio disponíveis para
executar as diversas operações de fabricação. Por possuírem liberdade nas suas formas e
dimensões, podem também ser fabricadas de chapas soldadas as seções fechadas, denominadas de
seções caixão, especialmente indicadas para resistirem a esforços de torção.
y
y
y
x
x
x
Seção VS
Seção CS
Seção caixão
Perfis soldados
Foram os primeiros perfis laminados em nosso país, inicialmente pela CSN, nas dimensões
maiores e pela Cofavi nas menores. Os perfis L, as cantoneiras, eram fabricadas com abas de
dimensões diferentes que não são mais produzidas. Atualmente são laminadas apenas as menores
dimensões e, no caso das cantoneiras, apenas as de abas iguais.
24
NBR 8800.2008
y
y
y
y
z
x
z
x
Perfis I
x
Perfis C ou U
x
Cantoneiras de abas iguais e desiguais
Perfis laminados – série americana.
Finalmente, em 2002 a Açominas começou a laminar estes perfis, inicialmente nas menores
dimensões e, após 2003, nas dimensões maiores, limitadas à altura de 610 mm. Portanto embora
existam perfis maiores em tabelas estrangeiras, como as que fazem parte da biblioteca de diversos
programas de dimensionamento de estruturas de aço, é importante lembrar esta limitação de seções
existentes em nosso mercado.
As seções usuais laminadas pela Açominas limitam-se às seções W (I) H e HP, sendo que as
seções H vem notificadas também como seção W, devendo ser observado na hora de escolher a
seção, pois os perfis H possuem altura com valor muito próximo da largura da mesa.
y
y
x
x
Perfil W ( I )
Seção H
Perfis laminados de abas paralelas
Estes perfis, embora possuam dimensões padronizados, podem ser fabricados com
quaisquer dimensões, pois dependem basicamente dos equipamentos a serem utilizados na
conformação dos mesmos. Por possuírem características especiais de dimensionamento, que não
fazem parte do escopo da NBR 8800, recomenda-se a aplicação dos mesmos segundo os
procedimentos da NBR 6350, padronização e da NBR 14 762, dimensionamento.
y
y
x
y
x
x
Seções U
U enrijecido
Cartola
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z
y
z
y
y
z
x
x
x
Seções Z
Z enrijecido
Cantoneira
Perfis conformados a frio
O dimensionamento de estruturas formadas por estes perfis está concentrado em uma
disciplina optativa e suas notas de aula estão condensadas na apostila: Estruturas de aço
constituídas por perfis de chapa dobrada: dimensionamento de barras. São Carlos, EESC-USP, 97p.
1.5.2 – DIMENSÕES DAS CHAPAS E PLACAS DE AÇO ESTRUTURAIS
As chapas de aço são fabricadas por todas as usinas siderúrgicas, sob as mais diversas
especificações e as mais diversas dimensões. Entretanto, as espessuras são padronizadas, os
comprimentos quase sempre seguem os fornecidos na tabela a seguir apresentada, mas as larguras
podem variar bastante por serem resultados da largura do caminho de laminação.
Na tabela não são apresentadas espessuras menores que 3 mm, pois estas espessuras ao
serem utilizadas devem ser dimensionadas como os perfis conformados a frio. As usinas também
laminam espessuras acima de 3” (75 mm), mas de pouquíssima e rara aplicação estrutural.
As chapas com espessura acima de 2” (50 mm) costumam ser chamadas de placas, mas
esta mudança de nomenclatura não altera a forma de dimensioná-las, apenas de denominá-las.
As chapas finas, até 4,75 mm de espessura, podem ser fornecidas em bobinas, com o
comprimento limitado pelo processo de laminação e do peso máximo que a bobina pode ter.
Classe
Finas
laminadas
a quente
Grossas
(só a
quente)
Espessura
Bit./Pol.
(mm)
11
3,00
10
3,35
9
3,75
8
4,25
3/16”
4,75
1/4”
6,3
5/16”
8,0
3/8”
9,5
1/2”
12,5
5/8”
16,0
3/4”
19,0
7/8”
22,5
1”
25,0
1” ¼
31,5
1” ½
37,5
2”
50,0
2” ½
63,0
3”
75,0
Padrão
Largura (m)
Máx.
Mín.
Comp.
(mm)
1200
1500
600
3000
1500
2440
1200
6000
1500
2440
1200
12000
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ASTM A992

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