Universidade Federal de Ouro PretoEscola de MinasOuro Preto - MG

Construes Metlicas I

AULA 1 IntroduoAULA 1 - Introduo

Introduo

DefiniesDefinies ee histricohistrico O ao e o ferro fundido so ligas de ferro e carbono, com outros elementos de g ,

dois tipos:

-- ElementosElementos residuaisresiduais decorrentes do processo de fabricao, como silcio,p , ,mangans, fsforo e enxofre;

-- ElementosElementos adicionadosadicionados com o intuito de melhorar as caractersticas fsicas emecnicas do material denominados elementos de liga.

O ao a liga ferro-carbono em que o teor de carbono varia desde 0,008% atO ao a liga ferro carbono em que o teor de carbono varia desde 0,008% at2,11%.

O carbono aumenta a resistncia do ao, porm o torna mais frgil. Os aoscom baixo teor de carbono tm menor resistncia trao, porm so mais

dcteis.

Introduo

Em funo da presena, na composio qumica, de elementos de liga e do teorde elementos residuais, os aos so classificados em:

-- aosaos--carbonocarbono, que contm teores normais de elementos residuais;

-- aosaos--ligaliga, que so aos-carbono acrescidos de elementos de liga ouapresentando altos teores de elementos residuaisapresentando altos teores de elementos residuais.

O primeiro material siderrgico empregado na construo foi o ferroferro fundidofundido.Entre 1780 e 1820 construram-se pontes em arco ou treliadas, com

elementos em ferro fundido trabalhando em compresso.

O ferro fundido comercial possui 2% a 4,3% de carbono. Tem boa resistncia compresso (mnimo 500MPa), porm a resistncia trao apenas cerca de

30% da primeira30% da primeira.

A primeira ponte em ferro fundido foi construda em 1779 na Inglaterra sobre orio Severn. Trata-se de um arco com vo de 30 metros.rio Severn. Trata se de um arco com vo de 30 metros.

Introduo

Ponte de Coalbrookdale sobre o rio Severn na Inglaterra, 1779

No Brasil, a ponte sobre o rio Paraba do Sul, foi inaugurada em 1857:- vos de 30 metros;vos de 30 metros;

- arcos atirantados, constitudos de peas de ferro fundido montadas porencaixe e o tirante em ferro forjado.encaixe e o tirante em ferro forjado.

Introduo

Ponte sobre o rio Paraba do Sul, 1857Ponte sobre o rio Paraba do Sul, 1857

Introduo

O ao j era conhecido desde a Antiguidade. O ingls Henry Bessemer inventou em 1856, um forno que permitiu a produo

do ao em larga escala a partir das dcadas de 1860/1870.

1864: Os irmos Martin desenvolveram um outro tipo de forno de maiorcapacidadecapacidade.

Em 1880 foram introduzidos os laminadores para barras.

Viaduc de Garabit, Sul da Frana,

com 165m de vo, 1884

Estao Ferroviria Quai dOrsay

em Paris, 1900

Introduo

Recorde

mundial com

vo livre de vo livre de

521m.

Ponte Firth of Forth na Esccia, 1890

Introduo

At meados do sculo XX, utilizou-se nas construes quase queexclusivamente o ao-carbono com resistncia ruptura de cerca de 370MPa.

A partir de 1950 comeou-se a utilizar aos com maior resistncia.

No Brasil, a indstria siderrgica foi implantada aps a Segunda GuerraMundial com a construo da Usina Presidente Vargas da CSN Companhia

Siderrgica Nacional, em Volta Redonda, no Estado do Rio de Janeiro.

Edifcio Avenida Central, 1961.

Ponte RioNiteri: vos laterais de 200 m e vo central de 300 m.

Introduo

Edifcio Avenida Central

Introduo

Ponte RioNiteri, Rio de Janeiro

Introduo

OO FerroFerro ee oo AoAo nana ConstruoConstruoF i f i i Ferrovias: pontes e estaes ferrovirias

Obras notveis: estruturas ainda em uso atualmente

Utilizao atual:

pontespontes ferroviriasferrovirias ee rodoviriasrodovirias;;dif idif i i d t i ii d t i i i ii i id i iid i i edifciosedifcios industriais,industriais, comerciaiscomerciais ee residenciaisresidenciais;;

galpes,galpes, hangares,hangares, garagensgaragens ee estaesestaes;; coberturascoberturas dede grandesgrandes vosvos;;

dd i i b b torrestorres dede transmissotransmisso ee subestaessubestaes;; plataformasplataformas offoff--shoreshore;; construoconstruo navalnaval;; guindastesguindastes ee pontespontes rolantesrolantes;; instalaesinstalaes p/p/ exploraoexplorao ee tratamentotratamento dede minriominrio;; etcetc..

Introduo

Brooklyn Bridge, 486 m de vo livre, 1883

Britannia Bridge, 1850

Torre Eiffel, 312 m de altura, 1889

Empire State Building, 380 m de altura, 1933

Introduo

OO FerroFerro ee oo AoAo nono BrasilBrasil 1554: comunicao de existncia de depsitos de minrio de ferro1554: comunicao de existncia de depsitos de minrio de ferro p p

1556: instalao de forja em So Paulo1556: instalao de forja em So Paulo

1587: incio da siderurgia brasileira (Santo Amaro / SP)1587: incio da siderurgia brasileira (Santo Amaro / SP)

Final do sc. XVIII: produo nacional insuficienteFinal do sc. XVIII: produo nacional insuficiente

1792: autorizao p/ instalao de indstria de ferro primrio1792: autorizao p/ instalao de indstria de ferro primrio

1808: Corte Portuguesa no Brasil 1808: Corte Portuguesa no Brasil -- impulso siderurgia brasileiraimpulso siderurgia brasileira

1825: instalao de fbrica no Arraial de So Miguel (Joo Monlevade)1825: instalao de fbrica no Arraial de So Miguel (Joo Monlevade)

1876: criao da Escola de Minas de Ouro Preto1876: criao da Escola de Minas de Ouro Preto

1911: instalao de usina integradora de ao (150.000t)1911: instalao de usina integradora de ao (150.000t)

1917 1 id d C hi 1917 1 id d C hi FF (RJ)(RJ) 1917: 1 corrida de ao na Companhia 1917: 1 corrida de ao na Companhia FerrumFerrum (RJ)(RJ)

1918: 1 corrida de ao na Usina de So Caetano do Sul (SP)1918: 1 corrida de ao na Usina de So Caetano do Sul (SP)

1919: fundao da Fbrica de Ao Paulista (fornos eltricos)1919: fundao da Fbrica de Ao Paulista (fornos eltricos)1919: fundao da Fbrica de Ao Paulista (fornos eltricos)1919: fundao da Fbrica de Ao Paulista (fornos eltricos)

Introduo

OO FerroFerro ee oo AoAo nono BrasilBrasil 1920: criado na Europa, pela ARBED, o Sindicato do Brasil1920: criado na Europa, pela ARBED, o Sindicato do Brasil

1921: criao da Companhia Siderrgica Belgo1921: criao da Companhia Siderrgica Belgo--Mineira (CSBM)Mineira (CSBM)

A 30A 30 Anos 30:Anos 30:- 2 Usina integrada da CSBM (Joo Monlevade)- Companhia Ferro Brasileiro (Caet)- Eletro Ao Altona (Blumenau)- Siderrgica Barra Mansa (RJ)- Metalrgica Barbar (Barra Mansa / RJ)- Siderrgica Riograndense (Porto Alegre / RS)

Perodo psPerodo ps--guerra:guerra:- expanso das usinas existentesexpanso das usinas existentes- novas usinas: Mannesmann, COSIPA, USIMINAS e COFAVI

Introduo

1960/1970:1960/1970:- acelerao de projetos de desenvolvimento de usinas em operao- novas usinas: USIBA, Piratini, CST, Mendes Jr. e AOMINAS

Outros fatos marcantes:Outros fatos marcantes:- 1988/1989: privatizao de pequenas/mdias siderrgicas- 1988/1989: privatizao de pequenas/mdias siderrgicas- 1990: extino da SIDERBRS- Anos 90: privatizao das grandes siderrgicas (COSIPA, USIMINAS, CSN,

CST e AOMINAS)CST e AOMINAS)

Introduo

ConsideraesConsideraes sobresobre oo ProjetoProjeto dede EdificaesEdificaes EstruturadasEstruturadas emem AoAo VantagensVantagens::gg

- fabricao com preciso milimtrica;- garantia de dimenses e propriedades dos materiais;

i i ib h- resistncia a vibrao e choques;- execuo rpida e limpa;- possibilidade de desmontagem e nova montagem;

- estruturas mais leves e com maiores vos;- aproveitamento de materiais em estoque.

DesvantagensDesvantagens::

- limitao de execuo em fbrica;- transporte at o local da obra;

necessidade de tratamento superficial;- necessidade de tratamento superficial;- necessidade de mo-de-obra especializada;- necessidade de equipamentos especiais;

limitaes de oferecimento de perfis- limitaes de oferecimento de perfis.

Introduo

ProcessoProcesso dede fabricaofabricao O principal processo de fabricao do ao consiste na produoproduo dede ferroferro fundidofundidop p p p p

nono altoaltofornoforno ee oo posteriorposterior refinamentorefinamento emem aoao nono conversorconversor dede oxigniooxignio.

Outro processo utilizado consiste em fundirfundir sucatasucata dede ferroferro emem fornoforno eltricoeltricopcujacuja energiaenergia fornecidafornecida porpor arcosarcos voltaicosvoltaicos entreentre oo ferroferro fundidofundido ee osos

eletrodoseletrodos.

AltoAlto--fornoforno

Os metais ferrosos so obtidos por reduo dos minrios de ferro no alto-forno.

Carrega-se o alto-forno pela sua parte superior com minrio, calcrio e coqueminrio, calcrio e coque.

Pela parte inferior do forno insufla-se ar quente.

Queima do coque produzindo calor e monxido de carbono, que reduzem o xido de ferro a ferro

liquefeito, com excesso de carbono.

O calcrio converte o p de coque e a ganga em escria fundida.

Pela parte inferior do forno so drenadas a liga de ferro-carbono e a escria.

Introduo

O produto do

alto-forno chama-

se ferro fundido

ou gusa.

uma liga de

ferro com alto

teor de carbono e

diversas

impurezas.

O f dO refinamento do

ferro fundido em

ao feito no

conversor de

Esquema de funcionamento do alto-forno

conversor de

oxignio.

Introduo

O refinamento consiste

em remover o excesso

de carbono e reduzir a

Elementos como mangans, silcio e fsforo so oxidados e

combinados com cal e xido de ferro, formando a escria

que sobrenada o ao liquefeito.

quantidade de

impurezas a limites

prefixados.

Esquema do conversor de

oxignio

O conversor de

oxignio baseia-se na

injeo de oxignio

dentro da massa

lquida de ferro

f didfundido.

O ar queima o carbono

na forma de monxido na forma de monxido

de carbono (CO) e

dixido de carbono

(CO2)(CO2).

Introduo

TratamentoTratamento dodo aoao nana panelapanela

Para evitar a formao de grandes vazios no ao durante o processo de resfriamento elementos como

alumnio e silcio so adicionados na panela, em um processo conhecido por desgaseificao.

LingoteamentoLingoteamento LingoteamentoLingoteamento

Da panela o ao fundido descarregado nas

lingoteiras, que so frmas metlicas especiais

permitindo a confeco de blocos denominados

lingoteslingotes.

LaminaoLaminao

Processo pelo qual o ao transformado nos

principais produtos siderrgicos utilizados pela

indstria de construo, a saber, chapas e perfis

laminados.

Introduo

TiposTipos dede aosaos estruturaisestruturais Aos-carbono

So os mais usados e o aumento da resistncia em relao ao ferro puro produzido

pelo carbono e, em menor escala pelo mangans.

Os principais tipos de ao-carbono usados em estruturas, segundo os padres da ABNT

(Associao Brasileira de Normas Tcnicas), da ASTM (American Society for Testing and

Materials) e das normas europeias EM so:

Introduo

TiposTipos dede aosaos estruturaisestruturais Aos de Baixa Liga g

So aos-carbono acrescidos de elementos de liga (cromo, cobre, mangans, nquel,

fsforo), os quais melhoram algumas propriedades mecnicas.

Aos com tratamento trmico

Tanto os ao-carbono quanto os aos de baixa liga podem ter suas resistncias

aumentadas pelo tratamento trmico.

Introduo

Padronizao ABNT

Segundo a especificao da NBR7007 Aos para Perfis Laminados para o Uso Estrutural

da ABNT, os aos podem ser enquadrados nas seguintes categorias, designadas a partir

do limite de escoamento:

MR250MR250, ao de mdia resistncia (fy = 250 MPa ; fu = 400 MPa) (corresponde ao ao ASTM36)

AR350AR350, ao de alta resistncia (fy = 350 MPa ; fu = 450 MPa)

ARAR--COR415COR415, ao de alta resistncia (fy = 415 MPa ; fu = 520 MPa), resistente corroso

Introduo

EnsaiosEnsaios dede TraoTrao ee CisalhamentoCisalhamento SimplesSimples Ensaio de trao simples p

Ensaio de cisalhamento simples

2E

G 2 1 0,3 77G GPa

Introduo

PropriedadesPropriedades dosdos AosAos Propriedades fsicasp

Mdulo de deformao longitudinal ou mdulo de elasticidade:Mdulo de deformao longitudinal ou mdulo de elasticidade: 200E GPaCoeficiente de Poisson :Coeficiente de Poisson :

Coeficiente de dilatao trmicaCoeficiente de dilatao trmica::

0,3 612 10 /C

Massa especfica:Massa especfica:

Ductilidade

37850a kg m

A capacidade de o material se deformar sob ao das cargas.A capacidade de o material se deformar sob ao das cargas.

Os aos dcteis, quando sujeitos a tenses locais elevadas, sofrem deformaes plsticas , q j , p

capazes de redistribuir as tenses.

Introduo

PropriedadesPropriedades dosdos AosAos Fragilidadeg

o oposto da ductilidade.o oposto da ductilidade.

Os aos podem se tornar frgeis pela ao de diversos agentes: baixas temperaturas p g p g p

ambientes, efeitos trmicos locais causados, por exemplo, por solda eltrica.

Resilincia e tenacidade

Estas propriedades se relacionam com a capacidade do metal de absorver energia Estas propriedades se relacionam com a capacidade do metal de absorver energia

mecnica.mecnica.

Resilincia a capacidade de absorver energia mecnica em regime elstico, ou a capacidade

de restituir energia mecnica absorvida.

Tenacidade a energia total, elstica e plstica que o material pode absorver por unidade de g , p q p p

volume at a sua ruptura.

Introduo

PropriedadesPropriedades dosdos AosAos Dureza

Resistncia ao risco ou abraso.Resistncia ao risco ou abraso.

Efeito de temperatura elevada

As temperaturas elevadas modificam as propriedades fsicas dos aos. Temperaturas superiores a

100C tendem a eliminar o limite de escoamento bem definido, tornando o diagrama

arredondadoarredondado.

As temperaturas elevadas reduzem as resistncias ao escoamento e ruptura, bem como o mdulo

de elasticidade.

T t i d 250 300C fl i Temperaturas acima de 250 a 300C provocam fluncia nos aos.

Fadiga

A resistncia ruptura dos materiais , em geral medida em ensaios estticos. Quando as peas

metlicas trabalham sob efeito de esforos repetidos em grande nmero, pode haver ruptura em

tenses inferiores s obtidas em ensaios estticos. Esse efeito denomina-se fadigafadiga do material.

Introduo

PropriedadesPropriedades dosdos AosAos Corroso

Processo de reao do ao com alguns elementos presentes no ambiente em que se Processo de reao do ao com alguns elementos presentes no ambiente em que se

encontra exposto, sendo o encontra exposto, sendo o produto muito similar ao minrio de ferro.produto muito similar ao minrio de ferro.

Corroso o processo de oxidao do ao, resultante de reaes qumicas quando

submetido a ao climtica.

O resultado observado a gerao de produtos de corroso, conhecidos como ferrugem.

A corroso promove a perda de seo das peas de ao -> colapso

Principais tipos de proteo: pintura pintura ou galvanizaogalvanizao.

PinturaPintura: A vida til da estrutura de ao protegida por pintura depende dos

procedimentos adotados para sua execuo:

- limpeza das superfcies;

- especificao da tinta e sua aplicao.

Introduo

PropriedadesPropriedades dosdos AosAosEm geral as peas recebem uma ou duas demos de tinta de fundo aps a limpeza eEm geral as peas recebem uma ou duas demos de tinta de fundo aps a limpeza e

antes de se iniciar a fabricao em oficina, e posteriormente, so aplicadas uma ou

duas demos de tinta de acabamento. A tinta cria uma barreira impermevel protetora

f i t dna superfcie exposta do ao.

A Limpeza da superfcie pode ser feita por escovamento, aplicao de solventes ou

jateamento;jateamento;

Aplicao de primer: confere grande aderncia camada subsequente;

Camada intermediria: fornece espessura ao sistema de proteo;

Camada final: atua como barreira protetora, alm da finalidade esttica.

Introduo

PropriedadesPropriedades dosdos AosAosGalvanizaoGalvanizao:: consiste na adio, por imerso, de uma camada de zinco s

superfcies de ao aps a adequada limpeza das mesmas.

A proteo do ao pelo revestimento de zinco se desenvolve segundo dois

mecanismos:

- Proteo por meio de barreira mecnica exercida pela camada de revestimento: O zinco cobre a superfcie do ao atravs da formao de uma camada de liga Fe-

Zn, sobre a qual se deposita uma camada de zinco pura.

- Proteo pelo efeito sacrificial do zinco: perda de massa de zinco em relao ao ao base.

Portanto na galvanizao alm do zinco atuar como uma barreira protetora evitando o contato do ao Portanto, na galvanizao, alm do zinco atuar como uma barreira protetora evitando o contato do ao com a gua e o ar atmosfrico, ele sofrer corroso antes do ao.

Este processo garante ao ao uma grande durabilidade contra corroso, mesmo nas condies mais severas (atmosfera marinha) permitindo-se que se trabalhe com espessuras de chapas bem finas (0,3 a

2 70mm)2,70mm).

Introduo

PropriedadesPropriedades dosdos AosAos

Detalhes para prevenir a corroso em estruturas expostas ao de intempriesDetalhes para prevenir a corroso em estruturas expostas ao de intempries