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CAPÍTULO 3

ESTRUTURA METÁLICA

Prof. Dr. Joaquim Marins Neto

3.1 GENERALIDADES

Os metais podem ser encontrados:

- no estado nativo (geralmente puros): ouro, platina, prata, cobre, mercúrio.

- na forma de óxidos, sulfetos, sulfatos:

sulfato de cobre (Cu2S): Calcisina � extração do cobre;

óxido de alumínio (Al2O3): bauxita � extração do alumínio.

Os minérios de ferro apresentam-se sob a forma de carbonatos (siderita – CO3Fe), óxidos

(magnetitas – FeO4) e sulfetos (piritas – SFe).

O ferro é o metal de maior aplicação na indústria da construção devido ao seu elevado

módulo de resistência. É usado puro ou em ligas na armação de vigas, trilhos, esquadrias,

condutores, grades, etc. A liga é obtida através da combinação do ferro e do carbono (Fe-C). Os

produtos mais importantes, provenientes dessa combinação, são os aços e os ferros fundidos, que

diferem pelo teor de carbono.

Aço �� teor de carbono até 1,7%;

Ferro fundido �� teor de carbono acima de 1,7%.

Desenho de Estruturas Estrutura metálica

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Atualmente, os maiores produtores mundiais de ferro são: Brasil, Austrália, Rússia, França

e Suécia.

O aço é um produto siderúrgico obtido por via líquida com teor de carbono inferior a 1,7%.

Ele pode ser obtido diretamente do minério pela redução direta, ou descarbonatando-se o gusa

líquido, através do sopro de oxigênio. O ferro gusa é o ferro obtido diretamente do alto-forno,

sendo impuro, com alto teor de carbono. Saído do forno, o aço é levado até as lingoteiras (moldes)

que faz o metal tomar a forma de blocos prismáticos.

alto forno sopro de oxigênio moldes

Minério de ferro �� Ferro gusa �� Descarbonatação �� Aço �� Lingotes

- impuro - blocos prismáticos

- alto teor de carbono

Os lingotes apresentam muitos defeitos como segregação, fissuras, bolhas, etc. Esses

defeitos desaparecem na etapa de moldagem.

É usual a classificação do aço pelo seu teor de carbono, assim temos:

Aços extradoces < 0,15 % carbono

Aços doces 0,15 a 0,30 % carbono

Aços meio-doces 0,30 a 0,40 % carbono

Aços meio-duros 0,40 a 0,60 % carbono

Aços duros 0,60 a 0,70 % carbono

Aços extraduros > 0,70 % carbono.

Variação do teor de carbono �� Variação: - Dureza / Resistência


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a) Moldagem do aço

Para fios, barras e chapas são usados os processos de extrusão, laminagem e trefilamento.

- Extrusão: o lingote é refundido e forçado a passar (em estado líquido), sob pressão, por orifícios

com a forma desejada, e esfriado;

- Laminação: o metal é forçado a passar entre cilindros giratórios com espaçamento cada vez

menor, podendo ser obtido chapas, barras redondas ou perfis especiais T, L, U, etc.;

- Trefilamento (estiramento): o metal é forçado a passar por orifícios de moldagem, sendo um

processo de moldagem a frio.

A fundição é um processo de moldagem onde um modelo com a forma da peça desejada é

feito inicialmente e depois é colocado o material incandescente. O forjamento é um processo que

se utiliza a ação de martelos ou prensas sobre o metal quente, para a moldagem desejada.

b) Tratamento térmico dos aços

O tratamento térmico dos aços, cuja finalidade é transmitir certas propriedades ao material,

consiste em aquecer a uma determinada temperatura e depois esfriá-los, segundo certas regras,

modificando essencialmente a sua microestrutura. Os principais tratamentos térmicos são:

Normalização – consiste em aquecer o aço a uma temperatura acima da crítica (723o C)

(formação da Austenita, formas dos cristais), espera-se a transformação total em austenita e

deixa-se esfriar lentamente, ao ar livre. Serve para eliminar as tensões internas que aparecem na

laminação ou outras formas de moldagem.

Recozimento – consiste em aquecer o aço a uma temperatura próxima da crítica, deixando-a

durante algum tempo e deixa-se esfriar lentamente. (tensões que se originam na fundição)

Têmpera – consiste em aquecer o aço até a temperatura de formação da austenita,

permanecendo essa temperatura durante algum tempo e no subsequente resfriamento brusco.

Para se resfriar rapidamente usa-se água, óleo ou jato de ar. (aumenta a dureza, o limite de

elasticidade, a resistência a tração e diminui o alongamento e a tenacidade)

Revenido – semelhante ao recozimento, é feito a temperatura abaixo da linha crítica, tendo a

finalidade de corrigir defeitos aparecidos durante uma têmpera. (ex: excesso de dureza)


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c) Tratamento termoquímico dos aços

O tratamento termoquímico tem por finalidade enriquecer a camada superficial do aço com

uma camada protetora onde apareçam outros elementos. Conforme a substância empregada se

tem uma propriedade:

- Carbono (cementação): grande dureza e resistência ao desgaste;

- nitrogênio (nitretação): dureza, resistência ao desgaste e a corrosão;

- cromo (cromagem): resistência a corrosão, a dureza e ao desgaste;

- alumínio (aluminização): eleva a resistência ao calor.

d) Tratamento a frio (encruamento) dos aços

O encruamento consiste em submeter o aço a esforços mecânicos que tendem a deformá-

lo a frio, onde os grãos tendem a se orientar no sentido da deformação. O encruamento pode ser

superficial, como ocorre durante a laminação a frio, ou profundo, como os aços torcidos.

e) Alguns materiais tratados

- Aço inoxidável: liga de aço (0,15%), cromo (18%) e níquel (9%) – cromagem, zincagem,

niquelagem � resistência a corrosão.

- Folha-de-flandes: é uma chapa fina de aço com as faces cobertas por leve camada de estanho

para não oxidar, vulgarmente chamada de lata � ótima resistência aos agentes químicos, ótima

soldabilidade e boa aparência.

- Chapas galvanizadas: chapa fina de aço com as faces cobertas de zinco, é feita imergindo-se a

chapa em um banho de zinco fundido � é mais resistente que a folha-de-flandres.


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3.2 O AÇO ESTRUTURAL

A construção em estrutura de aço consiste na utilização de elementos resistentes de aço

como elementos da estrutura da construção. O conhecimento das propriedades e características

dos aços é importante para a sua aplicação no campo da engenharia. As propriedades mecânicas

descrevem o comportamento dos aços quando sujeitos a esforços mecânicos e correspondem às

propriedades que determinam a sua capacidade de resistir e transmitir os esforços que lhes são

aplicados, sem romper ou sem que ocorram deformações excessivas.

3.2.1 COMPOSIÇÃO QUIMICA

As composições químicas determinam muitas características importantes dos aços a serem

aplicados em estruturas. Entre os principais elementos químicos presentes no aço, temos:

a) Carbono (C)

Aumentando o teor de carbono aumenta-se a resistência mecânica nos aços,

atuando principalmente no limite de resistência. Porém, prejudica a ductilidade e a

tenacidade. Teores elevados de carbono comprometem a soldabilidade e diminuem a

resistência à corrosão atmosférica.

b) Manganês (Mn)

Aumentando o teor de manganês melhorara-se a resistência mecânica, aumentando

principalmente o limite de escoamento e a resistência à fadiga.

c) Silício (Si)

Usado como desoxidante do aço, melhora a resistência mecânica (limite de

escoamento e de resistência) e a resistência à corrosão.

d) Fósforo (P)

Aumenta o limite de resistência, melhora a resistência à corrosão e a dureza,

prejudicando a ductilidade e a soldabilidade.

e) Enxofre (S)

E extremamente desfavorável aos aços, prejudica a ductilidade, em especial o

dobramento transversal, e reduz a soldabilidade.


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f) Cobre (Cu)

Aumenta a resistência à corrosão atmosférica dos aços e a resistência à fadiga,

mas reduzem a ductilidade, a tenacidade e soldabilidade.

g) Níquel (Ni)

Aumenta a resistência mecânica, a tenacidade e resistência à corrosão. Reduz a

soldabilidade.

h) Cromo (Cr)

Aumenta a resistência mecânica à abrasão e à corrosão atmosférica. Reduz, porém,

a soldabilidade.

j) Titânio (Ti)

Aumenta o limite de resistência, a resistência à abrasão e melhora o desempenho

do aço a temperaturas elevadas.

3.2.2 TIPOS DE AÇOS

O aço é um composto de ferro (± 98%), carbono, silício, enxofre, fósforo, manganês, e

outros. O teor de carbono é o componente que mais afeta as propriedades do aço.

Os aços utilizados em estruturas são divididos em dois grupos: aço carbono e aço de baixa

liga.

a) Aço-Carbono (Média Resistência Mecânica)

O elemento ferro, não apresenta propriedades adequadas para o emprego industrial. É

necessário estar composto com outros elementos formando ligas. As ligas com predominância de

ferro são denominadas aço.

O aço carbono é uma liga composta de aço e ferro, onde o aumento de resistência em

relação ao ferro puro é produzido pelo aumento de carbono e, em menor escala, pelo manganês.

Em função do teor nominal de carbono, o aço-carbono pode ser dividido em:

Baixo carbono: C ≤ 0,30%

Médio carbono: 0,30% < C < 0,50%


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Alto carbono: C ≥ 0,50%

Aumentando o teor de carbono se reduz a ductilidade, o que acarreta problemas na

soldagem.

A tabela a seguir apresenta as principais características e aplicações do aço-carbono:

Classe Resistência

MPa Característica Aplicações

Baixo Carbono < 440 Boa tenacidade, conformabilidade,

Soldabilidade

Pontes, edifícios, navios, caldeiras, tubos, estruturas

mecânicas

Médio Carbono 440 a 590 Médias conformabilidades,

soldabilidades

Estruturas parafusadas de navios e vagões, tubos, estruturas mecânicas, implementos agrícolas

Alto Carbono 590 a 780 Más conformabilidade e

soldabilidade, alta resistência ao desgaste

Peças mecânicas, implementos agrícolas,

trilhos e rodas ferroviárias

A tabela apresentada seguir mostra a resistência dos aços de acordo com a classificação

SAE.

Aço SAE Tensão de Escoamento Mínima Tensão de ruptura mínima

Laminado a quente Laminado a frio Laminado a quente Laminado a frio

1010 180 MPa 300 MPa 330 MPa 370 MPa

1020 210 MPa 350 MPa 380 MPa 420 MPa

1030 260 MPa 450 MPa 470 MPa 530 MPa

1040 290 MPa 490 MPa 530 MPa 590 MPa

1050 340 MPa 590 MPa 630 MPa 700 MPa

1060 370 MPa - 680 MPa -

b) Aço de Baixa Liga (Média e alta Resistência Mecânica, Resistência à Corrosão)

Aços com teor de carbono igual ou inferior a 0,25%, e com teor de elementos de liga

inferior a 2,0% e com limite de escoamento igual ou superior a 300 MPa. Esses aços são

fabricados com baixo teor de carbono e com adições de elementos de liga, tais como níquel,

molibdênio, cromo, titânio, nióbio, vanádio, cobre, zircônio, manganês e silício, em combinações e


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quantidades adequadas a se obter alta resistência, boa ductilidade, tenacidade, soldabilidade,

resistência à corrosão e à abrasão. A utilização desse aço proporciona uma redução na espessura

das peças, se comparada ao aço-carbono, reduzindo o consumo e aproveitando melhor o material.

• Aços Patináveis

Os aços patináveis (aclimáveis) têm como principal característica a resistência à corrosão

atmosférica, superior à do aço-carbono convencional, conseguida pela adição de pequenas

quantidades dos elementos de liga, como cobre, fósforo, cromo e silício. Quando expostos as

particularidades atmosféricas, desenvolvem uma camada compacta e aderente de óxido

(ferrugem), em sua superfície, onde sais insolúveis bloqueiam os poros e fissuras, funcionando

como proteção contra o prosseguimento da corrosão, possibilitando, a utilização desses aços sem

revestimento. Essa proteção (pátina) é desenvolvida quando a superfície metálica é submetida a

ciclos alternados de umidade (chuva, nevoeiro, etc) e secagem (vento, sol). O tempo para a

formação varia em função do tipo de atmosfera a que o aço está submetido, podendo variar de 1

ano a 3 anos ( após um ano o material já apresenta uma coloração homogênea marrom-clara).

Aço patinável Aço carbono

Precisa-se verificar o desenvolvimento do óxido, para as estruturas construídas com aço

patinável sem revestimento, pois, caso não ocorra a formação da pátina de forma compacta e

aderente, é necessário a utilização de pintura.


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Prefeitura de Salvado UFOP

Aço sem revestimento Aço com pintura

3.2.3 PROPRIEDADES DOS AÇOS

• Tensão de escoamento elevada: pois esta é a propriedade que deve ser objeto do projeto,

para que se possa prevenir deformação plástica generalizada dos componentes de aço. Nos

aços com baixo teor de carbono, o diagrama tensão-deformação, apresenta o patamar

indicativo do escoamento. Nos outros tipos esse intervalo não é apreciável;

Diagrama tensão-deformação

• Elasticidade: capacidade de voltar à forma original após sucessivos ciclos de carregamento

(carga e descarga). A deformação elástica é reversível desaparecendo quando a tensão é

removida. A relação entre a tensão e a deformação linear específica é o módulo de

elasticidade que está relacionado com a sua rigidez;

• Plasticidade: deformação permanente provocada por tensão igual ou superior ao limite de

escoamento;


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• Ductilidade: capacidade dos materiais de se deformar plasticamente sem se romper. Quanto

mais dúctil o aço maior é o alongamento antes da ruptura. As vigas de aço dúcteis sofrem

grandes deformações antes de se romper, constituindo um aviso da presença de tensões

muito elevadas;

• Fragilidade: oposto da ductilidade. O aço pode se tornar frágel pela ação de diversos fatores:

baixas temperaturas, efeitos térmicos por solda elétrica, etc;

• Tenacidade: capacidade que têm os materiais de absorver energia quando submetidos a

carga de impacto, prevenindo a fratura rápida ou catastrófica das estruturas;

• Dureza: resistência ao risco ou abrasão;

• Fadiga: ruptura do material devido aos efeitos de esforços repetidos em grande número, a

fadiga pode levar a acidentes graves principalmente no caso de pontes e peças que recebem

vibração transmitida por máquinas, vento ou água.

3.2.4 VANTAGENS E DESVANTAGENS DO AÇO UTILIZADO ESTRUTURAS

a) Vantagens

Alta resistência aos esforços mecânicos: resistência aos esforços de tração, compressão,

flexão, etc, com seções relativamente pequenas se comparadas com estruturas de

concreto armado sendo mais leves e permitindo vencer grandes vãos;

Padronização das dimensões e das propriedades dos materiais;

Produção em fábricas: os elementos de aço são produzidos em fabricas especiais, o que

garante maior qualidade aos elementos;

Montagem mecanizada: permite diminuir o prazo final da construção, onde os elementos da

estruturas podem ser montados no local da construção, ou já vir montado de fábrica;

Reaproveitamento do material: o aço obtido em demolições pode ser reaproveitado.


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b) Desvantagens

Limitação das dimensões em função do transporte;

Cuidados contra oxidação: necessidade de tratamento superficial contra oxidação causada

pelo contato com o ar atmosférico;

Mão-de-obra e equipamentos especializados para sua fabricação e montagem;

3.2.5 PRODUTOS DE AÇO ESTRUTURAL UTILIZADOS NA CONSTRUÇÃO CIVIL

• Chapas:

As chapas se dividem em duas categorias:

Chapas grossas: espessura maior ou igual a 4,76 mm (3/16”)

Chapas finas: a espessura das chapas finas é fornecida em bitolas, sendo usual a bitola

MSG:

Bitola 9 10 11 12 13 14 15 16

Espessura 3,80 3,42 3,04 2,66 2,28 1,90 1,71 1,52

As chapas podem ser fornecidas com os bordos naturais de laminação (universais), sem

cantos vivos, ou com os bordos cortados na tesoura (aparadas).


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• Perfis laminados:

Os perfis podem possuir várias formas (H, I, [, L).

Cantoneiras:

a, b – aba

t – espessura

Perfil H ou duplo T:

bf – largura mesa

tf – espessura mesa

tw – espessura alma

h – altura alma

d – altura perfil

Perfil T: Perfil U:

bf – largura mesa

tf – espessura mesa

tw – espessura alma

h – altura alma

b – aba

t – espessura

d – altura perfil


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• Perfis dobrados (chapas dobradas):

Perfil U Perfil U enrijecido

Perfil cantoneira Perfil cartola

Perfil Z Chapas trapezoidais

• Perfis soldados:

T soldado Duplo T soldado


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• Conexões:


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3.2.6 FATORES QUE INFLUENCIAM O CUSTO DA ESTRUTURA

- definição do sistema estrutural;

- projeto e detalhamento dos elementos estruturais;

- projeto e detalhe das conexões;

- definição do processo de fabricação;

- especificações para fabricação e montagem;

- proteção à corrosão, fogo, etc;

- sistema de montagem.

A seguir é apresentado o custo geral de uma estrutura metálica:

Projeto estrutural 1% – 3%

Detalhamento 2% – 6%

Material e insumos 25 – 50%

Fabricação 20% – 40%

Limpeza e pintura 8% – 20%

Transporte 1% – 3%

Montagem 20% – 30%


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3.2.7 FASES NA CONSTRUÇÃO DE UMA OBRA COM ESTRUTURAS METÁLICAS

- Projeto Arquitetônico;

- Projeto Estrutural;

- Detalhamento;

- Fabricação;

- Limpeza e proteção;

- Transporte;

- Montagem;

- Controle de Qualidade;

- Manutenção;

3.2.8 EXEMPLOS DE ESTRUTURAS

Pilares Coberturas


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Vigas e treliças

Torres

Pontes

Ginásios


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3.3 PRÉ-DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS METÁLICAS

Os gráficos de pré-dimensionamento de sistemas estruturais apresentam nas abscissas

valores que correspondem a uma das variáveis, como vãos, quando se trata de vigas e treliças, ou

número de pavimentos ou altura não travada, quando se trata de colunas. Nas ordenadas então os

dados para pré-dimensionamento, como altura da seção, etc.

Gráfico para pré-dimensionamento de vigas de aço


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Gráfico para pré-dimensionamento de colunas de aço, único andar


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Gráfico para pré-dimensionamento de colunas de aço, vários andares


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Gráfico para pré-dimensionamento de treliças metálicas


51

Gráfico para pré-dimensionamento de treliças metálicas


52

Gráfico para pré-dimensionamento de treliças metálicas duas águas


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PLANTA ARQUITETÔNICA DA CONSTRUÇÃO


54

ESQUEMA GERAL DO PÓRTICO METÁLICO


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ESQUEMA GERAL DO PÓRTICO METÁLICO – DETALHE 1


56

ESQUEMA GERAL DO TELHADO


57

DETALHES


58

DETALHES


59

DETALHES

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