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ESTRUTURAS METÁLICAS
• Disciplina: Projeto e dimensionamento de estruturas de aço em perfis soldados e laminados.
• Curso: Especialização em Engenharia de Estruturas
• Professor: Carlos Eduardo Javaroni
Mini Currículo
• Graduado em Engenharia Civil. EESC/USP;
• Doutor em Engenharia de Estrutura – Área de Estruturas Metálicas;
• Professor Doutor do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia da Unesp, campus de Bauru.
Objetivos• Gerais
– Fornecer ao aluno os conhecimentos básicos sobre concepção, análise e dimensionamento de elementos de estruturas metálicas.
• Específicos– Dimensionamento de estruturas metálicas
constituídas por perfis laminados e soldados, atendento os requisitos básicos estabelecidos pela NBR 8800:2008
Conteúdo programático• 1- INTRODUÇÃO: Aços estruturais e suas propriedades. Tipos de
perfis e chapas de aço. Aplicação das estruturas de aço na construção civil. Normas e especificações empregadas
• 2- AÇÕES E COMBINAÇÃO DAS AÇÕES: Ações permanentes, variáveis e acidentais. Combinações para os estados limites últimos. Combinações para os estados limites de utilização.
• 3 - DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DAS ESTRUTURAS DE AÇO: Elementos simples e compostos solicitados à tração e àcompressão. Treliças, colunas, pendurais e escoras. Elementos solicitados à flexão simples: vigas não esbeltas e vigas esbeltas. Vigas mistas aço-concreto. Elementos solicitados à flexão oblíqua. Elementos solicitados à flexão composta.
• 4 - DIMENSIONAMENTO DE LIGAÇÕES EM ESTRUTURAS METÁLICAS: Ligações com solda. Ligações com parafusos comuns. Ligações com parafusos de alta resistência. Solicitações em soldas e parafusos. Emendas em vigas. Ligações com concreto. Disposições construtivas.
Referências Bibliográficas
• Normas Brasileiras:• NBR 8800/2008: Projeto e execução de estruturas de aço e de
estruturas mistas aço-concreto de edifícios;• NBR 8681/2004: Ações e seguranças nas estruturas.
• Livros:
• PFEIL, W; PFEIL, M. Estruturas de aço – Dimensionamento prático. LTC. 2009.
• BRAGANÇA PINHEIRO , A. C. F. Estruturas metálicas: cálculos, detalhes, exercícios e projetos. São Paulo: Edgard Blücher, 2001.
• DIAS, L. M. A. Estruturas de aço – Conceitos, Técnicas e Linguagem. Zigurate Editora. 1997.
Aço:Liga metálica composta basicamente de ferro (98%) e carbono, com adições de outros elementos (silício, maganês, fósforo e etc.) que melhoram determinadas propriedades do aço.
Resistência
MecânicaDuctilidade
Soldabilidade
Teor de CarbonoTeor de Carbono
mmááx 0,3%x 0,3%
Aço carbono
Aço baixa liga
O Material Aço
Minério de Ferro Calcário Carvão Coque
ALTOFORNO
FERRO GUSA
AÇO
CHAPAS E PERFIS
O Material AçoObtenção do aço.
Classificação geral dos aços
O Material Aço
• Aços Carbono (Média Resistência)
• Aços de Alta Resistência e Baixa Liga
• Aços Tratados Termicamente
• Aços Resistentes ao Fogo
A resistência é garantida pela adição de elementos de liga em baixos teores residuais admissíveis.
Classe do Aço
Fu (MPa)
Principais Aplicações
Baixo Carbono (C até 0,30%)
< 440 Pontes, Edifícios, tubos e estruturas
mecânicas.
Médio Carbono (0,30%<C<0,50%)
440 a 590 Estruturas de navios e vagões.
Estruturas mecânicas e equip. agrícolas.
Alto Carbono (C>0,50%)
590 a 780 Peças mecânicas, trilhos e rodas
ferroviárias. Equipamentos agrícolas.
Aços carbono:
EX.: ASTM A-36, NBR 6648/CG-26 (soldados), ASTM A-570 (P.F.F.)
O Material Aço
• São aços carbono acrescidos de elementos de liga, que
aumentam a resistência à tração e melhoram as propriedades mecânicas do aço.
• Apresentam tensão de escoamento entre 280 e 490 MPa.
Adição de Cr, Cu, P, Si, Mn, Ni,
Alta resistência mecânica
Alta resistência a corrosão
Alta resistência ao fogo
Aços baixa liga:
O Material Aço
Aços baixa liga e alta resistência a corrosão:
Adi
ção
de C
r, C
u, A
l, N
i, V
EX.: USI-SAC300, COS-AR-COR 500, ZAR 280, ASTM A-242
Esses aços, quando expostos a intempéries, desenvolvem em sua superfície uma camada de óxido aderente que funciona como barreira protetora. São os chamados aços patináveis
O Material Aço
Aços baixa liga e alta resistência ao fogo:Modificação na composição química dos aços de alta resistência mecânica.
Propriedades mecânicas do USI-FIRE 490
Temperatura ambiente 600 oCEspessura
(mm) fy (MPa) fu(MPa) fy / fu Al (%) fy (MPa)
9,5 401 600 22 0,66 310
22,4 364 585 21 0,62 288
O Material Aço
Comportamento sob altas temperaturas
fy
fu
E
E,f
T (oC)
o 95 250 430 650 870
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
Diagrama tensão x deformação
com patamar de escoamento definido
sem patamar de escoamento definido
fy
fu
E
f
f
fufy
fp
Propriedades do Aço
fu – limite de resistência à tração do aço.fy – limite de resistência ao escoamento do aço.fp - tensão de proporcionalidade.E – Módulo de Elasticidade do aço.
Constantes físicas:
Mpaf y 450 8,1y
u
ff
Propriedades do Aço
Massa específica.............................. =77 kN/m3Módulo de elasticidade.....................E=205000 MpaMódulo de elasticidade transversal...G=78850 MpaCoeficiente de Poisson......................=0,3Coeficiente de dilatação térmica......=12x10-6/0C
Produtos de aço para estruturas
• Chapas: Elementos planos, obtidos por laminação a quente ou a frio.
• Perfis Estruturais em Aço: Elementos de barra, obtidos por laminação, solda ou dobramento a frioSemelhanças nas formas da seção transversal, diferentes aplicações.
Quanto à fabricação:• Perfis soldados;• Perfis laminados; • Perfis formados a frio (chapa dobrada).
Produtos de aço para estruturas
NBR 8800
NBR 14762
• Perfis laminados:Obtidos diretamente dos laminadores das
siderúrgicas. Estão disponíveis no mercado em forma de I, H, U e L.
Utilização variadaLimitações dimensionaisDificuldades nas ligações (Padrão americano)Elevado fator peso/inércia (Padrão americano)
Produtos de aço para estruturas
I 254 x 37,7kg/mI 10” x 37,7kg/m
L50x50x3,0L50x3,0
2L50x3,0
U 203x 17,1kg/mU 8”x 17,1kg/m
Primeira alma Primeira alma
Produtos de aço para estruturas
• Perfis laminados: Especificações padrão americano
IP
HPLHPP
HPM
• Perfis abas paralelas: Especificações padrão americano
Produtos de aço para estruturas
• Perfis soldadosObtidos através da soldagem de várias chapas.
Estão disponíveis no mercado em forma de I. Outras seções são possíveis. São “perfis pesados”.
Séries ExistentesVS altura/largura 4
CS altura/largura = 1
CVS 1 < altura/largura 1,5
Produtos de aço para estruturas
Tabelas de perfis soldados
• Perfis formados a frio: Obtidos pelo dobramento de chapas em temperatura ambiente.
Produtos de aço para estruturas
Tipo de Aço Propriedades Aplicações
ASTM A-36 É o tipo mais comum de aço
carbono, possui fy = 250 MPa e
fu = 400 a 500 MPa
É aplicado em estruturas em geral sob a forma de perfis e
chapas
ASTM A-307
Aço com baixo teor de carbono com
fu = 415 MPa
Fabricação de parafusos comuns
ASTM A -325
Aço com teor de carbono moderado que recebe
tratamento térmico para aumento da resistência, possui fy = 635 MPa e fu = 825 MPa
Fabricação de parafusos de
alta resistência
ASTM A-242
Aço de baixa liga com fy de 290 a 350 MPa
É aplicado em estruturas em geral, e estruturas em
ambientes agressivos. É fabricado sob a forma de
perfis e chapas
Principais tipos de aços estruturais
Tipo de Aço Propriedades Aplicações
CORTEN A e CORTEN B
Aços tipo ASTM A-242 fabricados pela CSN
fy = 350 MPa fu = 490 MPa
Mesmas aplicações do aço
ASTM A-242
CORTEN C
Aço tipo ASTM A-242
fabricado pela CSN
fy = 420 MPa
fu = 560 MPa
Mesmas aplicações do aço
ASTM A-242
SAC – 350
(SAC – 50)
Aço semelhante ao CORTEN A
e B, porém fabricado pela
USIMINAS
Mesmas aplicações do aço
ASTM A-242 e do CORTEN
Principais tipos de aços estruturais
Principais tipos de aços estruturaisPrincipais tipos de aPrincipais tipos de açços estruturaisos estruturais
Tipo do Aço Propriedades Aplicações
SAC – 300 (SAC – 41)
Aço fabricado pela USIMINAS de média resistência mecânica (maior que o ASTM A-36 porém
menor que o SAC - 50)
Mesmas aplicações do aço ASTM A-242 e do CORTEN
COS-AR-COS 500
Aço de alta resistência e baixa liga resistente à corrosão. Fabricado pela COSIPA
Mesmas aplicações do aço ASTM A-242 e do CORTEN
COS-AR-COS 400
Aço de média resistência e baixa liga resistente à corrosão. Fabricado pela COSIPA
Possuem resistência mecânica melhor que o ASTM A-36 porém
inferior ao COS-AR-COS 500
Mesmas aplicações do aço ASTM A-242 e do CORTEN
AÇOS ESTRUTURAIS – Especificações no Anexo A da NBR 8800:2008
PONTES - PASSARELASPonte Rodoferroviária sobre o Rio Paraná (SP/MS)
Viaduto - Osasco
OBRAS EM AÇO
Ponte sobre o Lago Sul (Brasília)
AÇÕES E SEGURANÇA NAS ESTRUTURAS
• NBR 8681:2004 – Fixa as condições de segurança para as estruturas usuais.
• Método dos estados limites: Estados limites últimos e Estados Limites de serviço.
• Genericamente: dd RS
AÇÕES E SEGURANÇA NAS ESTRUTURAS
• Resistência: aptão do material de suportar tensões.
• Resistência Característica;
• Resistência de cálculo.
AÇÕES E SEGURANÇA NAS ESTRUTURAS
• Conceito de ação;
• Tipos de ações – valores nominais;
• Combinação das ações – valores de projeto.– Para estados limites últimos;
m
i
n
jQefjqjQqGgd kjkkii
FFFF1 2
,01 ,,1,..
AÇÕES E SEGURANÇA NAS ESTRUTURAS
• Combinação das ações.– Para estados limites de serviço;
• Exemplo de ações e combinações.
n
jQj
m
iGser kjki
FFF2
21
,,
BARRAS TRACIONADAS
Ntd
Ntd
( III ) Barra ParafusadaEstado limite - Ruptura daSeção Líquida
( II ) Barra ParafusadaEstado limite - Escoamentoda Área Bruta
( I ) Barra SoldadaEstado limite - Escoamentoda Área Bruta
solda
L
N
( III )
( II )
( I )
Aefy
Aefu
Agfy
Comportamento:
BARRAS TRACIONADAS
( III ) Barra ParafusadaEstado limite - Ruptura daSeção Líquida
( II ) Barra ParafusadaEstado limite - Escoamentoda Área Bruta
( I ) Barra SoldadaEstado limite - Escoamentoda Área Bruta
solda
L
N
( III )
( II )
( I )
Aefy
Aefu
Agfy
Resistência de cálculo:
1, ayg
RdtfA
N
Áreas de cálculo:
Ruptura da área liquida efetiva:
2, aye
RdtfA
N
Escoamento da área bruta:
brutaáreaAg líquidaáreaAn
nte ACA nt AdereduçãodeeCoeficientC
BARRAS TRACIONADAS
Áreas de cálculo:
Área bruta: é a área do perfil.
Área líquida: é a área bruta diminuída de furos, recortes, etc.
Exemplos ligação. da projeto do depende : tC