Apostila de Estruturas Metálicas e Aços Estruturais

8/18/2019 Apostila de Estruturas Metálicas e Aços Estruturais

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Aços estruturais


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Entre os materiais de construção, o aço tem uma posição derelevo: combina resistência mecânica, trabalhabilidade,disponibilidade e baixo custo.

A aplicação dos aços é de extrema importância em todos oscampos da engenharia, nas estruturas, sejam xas, como

edi!"cios, pontes, etc., sejam m#veis, na ind$stria !errovi%ria,automobil"stica, naval, aeron%utica, etc.

&s aços'carbono comuns, simplesmente laminados, sem(uais(uer tra'mentos térmicos, são plenamente satis!at#rios e constituemporcentagem consider%vel dentro do grupo de aços estruturais)cerca de *+-.


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Em outras aplicaçes, entretanto, exige'se uma relação

resistência/peso mais satis!at#ria.

0 o caso da ind$stria de transporte onde o e(uipamentoutili1ado 2 caminhes, 3nibus, avies, e(uipamento !errovi%rio,e(uipamento rodovi%rio, navios, etc. 2 devido 4s condiçes doserviço, deve caracteri1ar'se por peso relativamente baixo ealta resistência, por estar sujeito a es!orços severos e cho(uesrepentinos, além de resistência 4 corrosão ade(uada.

5estas aplicaçes, os aços indicados são os de baixo teor emliga conhecidos como "de alta resistência e baixo teor de liga".


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6ivisão dos aços utili1ados em estruturas:' aços'carbono7

' aços de alta resistência e baixo teor em liga.

Aços carbono para estruturas

&s re(uisitos !undamentais a (ue devem obedecer esses açossão:

' ductilidade e homogeneidade7' valor satis!at#rio de limite de escoamento7' soldabilidade7' resistência ra1o%vel 4 corrosão.


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89om exceção da resistência 4 corrosão, todos os outros re(uisitossão satis!eitos pelos aços'carbono, de baixo a médio carbono,

obtidos por laminação, cujos limites de resistência 4 tração variamde + a ;+


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8>inalmente, a resistência 4 corrosão s# é alcançada com adiçãode pe(uenos teores de cobre, )da ordem de +,=;-: melhora a

propriedade em aproximadamente duas ve1es em relação aomesmo aço sem cobre.

8?ara a maioria das aplicaçes estruturais, o teor de carbonodesses aços varia de +,@; a +,+, com os outros elementos)n, Bi, ? e B- nos teores considerados normais.

85as estruturas, os pers de aço'carbono utili1ados são os maisdiversos: barras redondas )inclusive as empregadas em concretoarmado-, (uadradas, hexagonais, ovais, barras chatas, cantoneiras,tês, eles, duplos tês, etc.


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8&s aços de alto carbono 2 em torno do eutet#ide ou mesmoacima 2são considerados materiais de nature1a e aplicaçes

especiais, pois são utili1ados na !orma de os ou barras,geralmente com tratamento térmico particular ou no estadoencruado, em estruturas do tipo de pontes pênseis, concretoprotendido, cabos, etc.

Aços de alta resistência e baixo teor em liga

A tendência moderna no sentido de utili1ar estruturas cada ve1maiores, tem levado ao emprego de aços cada ve1 maisresistentes, para evitar o uso de estruturas cada ve1 maispesadas.

Cais consideraçes não se aplicam somente ao caso de estruturasxas, )edi!"cios ou pontes-, mas igualmente e principalmente emestruturas m#veis, no setor de transportes, onde o maior interesse

se concentra na redução do peso da estrutura.


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Esses aços são de grande utilidade toda a ve1 (ue se deseja:

a- aumentar a resistência mecânica, permitindo um acréscimoda carga unit%ria da estrutura ou tornando poss"vel umadiminuição proporcional da seção, ou seja o emprego de seçesmais leves7

b- melhorar a resistência 4 corrosão atmos!érica. Esse é um!ator importante a considerar, por(ue a utili1ação de seçesmais nas pode signicar vida mais curta da estrutura, a nãoser (ue a redução da seção seja acompanhada por umaumento correspondente da resistência 4 corrosão do material7

c- melhorar a resistência ao cho(ue e o limite de !adiga.


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A trabalhabilidade e a soldabilidade do aço não devem sermuito a!etadas, pois as aplicaçes desses materiais exigem:

a- (ue os aços possam ser !abricados !acilmente eeconomicamente por de!ormação mecânica a !rio ou a (uente,

além de poderem so!rer rapidamente de!ormaçes eoperaçes tais como dobramento, corte, !uração, rebitagem e(ual(uer tipo de usinagem7

b- (ue possam ser !acilmente soldados pelos processosnormais de soldagem, devendo ainda a solda resultante

apresentar suciente resistência e ductilidade,correspondentes pelo menos 4 do aço comum.


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&s aços alta resistência e baixa liga apresentam suacomposição nestas !aixas:

9 ' +,+D a +,=*? ' +,+@ a +,@=Bi ' +,+@ a +,+n ' +,F; a @,D+9u ' & a @,=;9r ' & a @,*+5i ' & a ;,=;o ' & a +,D;Gr ' & a +,@=Al ' & a +,=+

B ' & a +,+F Ci ' & a +,+;H ' & a +,++;5b ' & a +,@+


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Função dos elementos:

Carbono 2 0 o principal respons%vel pelo aumento daresistência mecânica e pela (ueda da ductilidade,trabalhabilidade, resistência ao cho(ue e soldabilidade. ?elos

seus e!eitos negativos, é mantido baixo.

Manganês — Atua como o carbono, embora em escalamenor. Be dissolve na !errita e ainda contribui para aumentara endurecibili'dade, em aços endurec"veis.Ieralmente, nos aços'liga de alta resistência para estruturas,

o manganês aparece em teores mais elevados do (ue nosaços'carbono estruturais.


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Juando o manganês é introdu1ido em teores acima de @, nãoh% necessidade de adicionar outros elementos de liga com oobjetivo de melhorar a resistência mecânica.

Fósforo - Aumenta a resistência mecânica, mas prejudica aductilidade do aço, produ1indo a chamada "fragilidade a frio" .

& !#s!oro em (uantidades acima do teor considerado normal

2 isto é, até +,@= 2contribui para melhorar sua resistência4 corrosão atmos!érica, sobretudo (uando o cobre tambémest% presente em pe(uenas (uantidades.

6o mesmo modo (ue o carbono e o manganês, o !#s!orotambém melhora o limite de !adiga dos aços,aproximadamente na mesma proporção (ue o aumento daresistência.


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Silício — Aumenta a resistência mecânica e a resistência 4

oxidação a temperaturas elevadas. 0 geralmente mantido baixo,adicionado nas (uantidades sucientes para acalmar os aços.

Cobre — Beu principal e!eito é melhorar a resistência 4 corrosãoatmos!érica do aço7 tal e!eito é mais acentuado pelo aumento

simultâneo do teor de !#s!oro.

& cobre exerce ainda consider%vel inKuência na resistênciamecânica do aço, aumentando'a apreciavelmente, comsomente ligeiro decréscimo da ductilidade. ?ara isso é preciso(ue o seu teor seja superior a +,D+.

5os aços com cobre relativamente alto 2 acima de @,+ e maisacentuadamente na !aixa entre @,=+ e @,;+ 2 ocorre o!en3meno de "endurecimento por precipita!o".


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Cromo — Em teores baixos aumenta a resistência, atenacidade e resistência ao cho(ue do aço. Em teores maiselevados, aumenta a resistência ao desgaste, por !ormarcarbonetos duros.

Ieralmente é associado ao n"(uel e ao cobre, (uandotambém melhora a resistência 4 corrosão atmos!érica.

í#uel 2 A introdução do n"(uel benecia o aço no sentido damelhora das suas propriedades mecânicas, da resistência 4

corrosão, além de renar o grão. Bob o ponto de vista de resistência 4 corrosão atmos!érica, on"(uel é (uase tão benéco (uanto o cobre.


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6e !ato, (uando o aço est% sendo a(uecido para a laminação, auma temperatura (ue é geralmente superior 4 de !usão do cobre,se este metal estiver presente, pode !undir e penetrar nos seuscontornos de grão, causando ssuras por ocasião do trabalhomecânico.

Cal !en3meno limita as adiçes de cobre a +,+'+,;+, a não ser(ue se tomem cuidados especiais no a(uecimento, e (ue um teorde cobre mais elevado seja acompanhado pela introdução den"(uel, em (uantidade de pelo menos um terço da do cobre.

& n"(uel liga'se ao cobre e o composto !ormado é de ponto de!usão mais alto, mantendo'se s#lido durante o a(uecimento doaço para a laminação, evitando'se assim sua penetração noscontornos dos grãos.


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Molibdênio — Além de aumentar a resistência mecânica,sua ação é de melhorar as propriedades a temperaturasmais elevadas.

$irc%nio — 0 eventualmente adicionado para desoxidar,

atuando igualmente no sentido de garantir granulação na. &lumínio — Ltili1ado para desoxidar e renar o grão. 6etodos os elementos de liga, é considerado o mais ecientepara controlar o crescimento de grão.

'an(dio — Aumenta a resistência dos açosconsiderados, por(ue !ortalece a !errita por endurecimentopor precipitação. & endurecimento mencionado deve'se 4precipitação de carboneto e de nitreto de van%dio na !errita.


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Esses aços são geralmente !ornecidos no estado laminado a(uente ou a !rio e reco1idos ou normali1ados. Bua utili1ação

é !eita, geralmente, sem necessidade de (ual(uer outrotratamento térmico.

Alguns tipos são tratados por têmpera e revenido ou porendurecimento por precipitação.


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Esses aços, pertencendo 4 categoria de aços estruturais,encontram seu principal campo de aplicação nos setores detransporte, incluindo o automobil"stico e o !errovi%rio, econstrução civil.

5o primeiro caso, o interesse reside no !ato de (ue, na

construção do e(uipamento de transporte, podem ser adotadasas duas soluçes seguintes:2 redução das dimenses dos pers das peças, comconse(Oente redução do peso das estruturas de transporte,principalmente para transporte de carga72 aumento da capacidade de carga e da vida do e(uipamentode transporte, sem decréscimo do peso, mas com melhora daresistência mecânica e da resistência 4 corrosão atmos!érica.

Cais soluçes podem aplicar'se não s# ao e(uipamento detransporte !errovi%rio, como também em transporte rodovi%rio,

em e(uipamento pesado para movimento de terras e outrasaplicaçes de ma(uin%rio para construção.

Aplicações


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& segundo setor mencionado 2 da engenharia civil 2compreende a construção de edi!"cios, pontes, torresmet%licas e estruturas an%logas.

8& c%lculo das estruturas é !eito dividindo'se um valorrelativo 4 resistência mecânica 2 limite de escoamentogeralmente 2 por um conveniente !ator de segurança.


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A vantagem inicial, é a economia de peso, pois =/F de aço

de alta resistência são necess%rios para con!erir 4estrutura a mesma resistência de um aço'carbono comum.

9onvém lembrar a caracter"stica de boa soldabilidade (ueesses aços apresentam, podendo ser prontamentesoldados pelos processos a arco, a resistência, ou a g%s,

sem (ual(uer endurecimento prejudicial, desde (ue ocarbono seja mantido abaixo de +,=+'+,=;.

>inalmente, a resistência 4 corrosão é bem superior 4 dosaços'carbono para estruturas.


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Conclusões

A maioria das aplicaçes comuns da engenharia re(uer açosestruturais de custo moderado e resistência mecânicara1o%vel7 tais re(uisitos são preenchidos satis!atoriamente

pelos aços'carbono comuns.

?ara melhores propriedades mecânicas e certa resistência 4corrosão atmos!érica, são utili1ados os chamados Paços dealta resistência e baixo teor em ligaP (ue se caracteri1ampela presença em teores relativamente baixos dos

elementos cobre, n"(uel, cromo e molibdênioprincipalmente, além da elevação acima das porcentagensnormais dos elementos !#s!oro, sil"cio e manganês,procurando'se manter sempre o teor de carbono a n"veisrelativamente baixos.


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Alta resistência mecânica e superior resistência 4 corrosãopermitem:

@. projetar a estrutura com a mesma vida (ue a do açocomum, com apreci%vel redução do seu peso7

=. projetar a estrutura com o mesmo peso (ue a de aço'carbono, mas com maior resistência e vida mais longa7

F. projetar a estrutura com o menor peso (ue assegure asmaiores vantagens econ3micas, mas com o risco de seobter uma vida mais curta.

Essas caracter"sticas tornam esses tipos de aços de empregoimportante nas estruturas do tipo m#vel, tais como vages depassageiros e carga, rebo(ues, caminhes, 3nibus, navios, botese lanchas, além do e(uipamento utili1ado em manuseio de carga,construção de estradas, mineração, etc. Além dessas, outrasaplicaçes desses tipos de aços incluem estruturas de pontes,reservat#rios, m%(uinas agr"colas etc.

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