Conteúdo especializado de arquivo: o artigo preserva designações históricas, tabelas e afirmações sobre a composição e propriedades mecânicas do aço, mas não é um padrão válido, especificação de material, certificado, cálculo de construção ou tratamento térmico e instruções de teste. Os valores do projeto dependem do tipo e lote de aço identificados com precisão, condição de fabricação, espessura, temperatura, soldabilidade, tenacidade, fadiga e padrão aplicável. O material do rolamento deve ter documentação rastreável e ser selecionado e verificado por um especialista responsável.
Savo Kusić hoje se concentra em janelas de madeira, janelas de madeira-alumínio, janelas personalizadas, portas e pedidos de orçamento. Este artigo permanece como arquivo histórico e não representa uma oferta para fabricação de reforço, projeto ou ensaio de estruturas metálicas.
Composição e marcas históricas do aço para construção
Através da fusão de minérios de ferro misturados com combustíveis e com adição de impurezas - geralmente calcário - bem como da introdução de ar aquecido sob pressão em um alto-forno, obtém-se o ferro-gusa. O ferro-gusa contém mais de carbono 1,7%; não pode ser forjado, laminado, cinzelado ou prensado - portanto, não pode ser moldado de várias maneiras. O ferro forjado é produzido a partir de ferro-gusa soprando ar em um conversor básico, ou de sucata e ferro-gusa em um forno (forno Siemens-Martin). Várias formas podem ser criadas a partir dele rolando, pressionando e forjando. Todo ferro forjado é chamado de aço.
Tabelas históricas: Os antigos graus de aço, padrões, valores permitidos e procedimentos de dobra nas tabelas mostradas não devem ser usados para obter, identificar ou dimensionar o material atual. Somente são válidas a etiqueta e a documentação do lote entregue, com verificação de equivalência conforme norma pactuada e aplicável.
Composição química do aço de construção
O ferro técnico não é ferro puro, mas uma liga dos elementos básicos ferro e carbono, na maioria das vezes com adição de manganês, silício, fósforo, sumbor e cobre, e menos frequentemente com alumínio, cromo, níquel, molibdênio, etc. A resistência ao escoamento e a resistência à tração do aço fundido aumentam com o aumento do teor de carbono até que cerca de 0,9% carbono seja alcançado; o alongamento na ruptura diminui à medida que o teor de carbono aumenta. Aço com alto teor de carbono deve ser manuseado com mais cuidado ao endireitar, dobrar, encurvar, etc.
Aços para construção St 37.12 geralmente contêm carbono 0,08-0,15%, depois cerca de 0,5% manganês, até 0,3% silício. O teor de fósforo e enxofre deve ser baixo; equivale a 0,09% e 0,05% respectivamente. Via de regra, há cobre acima de 0,2%.
Ao avaliar os resultados das análises químicas, deve-se ter cuidado se são análises de fundidos ou análises de produtos laminados; para este último, é importante se os dados da amostra se referem a amostras provenientes de toda a seção, ou a amostras retiradas de um local específico (do núcleo, da borda, de uma extremidade).
Estrutura de aço, endurecimento, revenimento e recozimento
A observação da estrutura é realizada em superfícies planas, cuidadosamente processadas, retificadas e polidas que, via de regra, estão corroídas por ácidos. Em certos casos (por exemplo, em aço superaquecido), os grãos de aço podem ser reconhecidos a olho nu nas amostras preparadas.
A imagem 1 mostra a estrutura de um aço resfriado lentamente com um teor de carbono de cerca de 0,1%, e a imagem 2 mostra a estrutura de um aço resfriado lentamente com um teor de carbono de cerca de 0,3%. Os grãos leves não contêm carbono e consistem principalmente de ferro puro (daí o nome ferrita); sob grande ampliação, as áreas escuras aparecem listradas (perlita). Ao microscópio, pode-se reconhecer que as manchas escuras consistem em camadas mais duras e mais macias; as camadas mais duras são de carboneto de ferro (Fe3C), chamada cementita, que está embutida na ferrita mais macia. Locais - os cristais formados em alta temperatura se desintegram com o resfriamento gradual. O resfriamento repentino do aço quente evita a desintegração dos cristais. Se, por outro lado, for realizado um resfriamento repentino antes do início da transformação da solução sólida, então a solução - que de outra forma só pode existir em altas temperaturas - continuará a ser mantida à temperatura ambiente. Neste caso, não obtemos um material cujo carbono está distribuído em forma de manchas, mas sim um material com carbono distribuído uniformemente. O aço nessa condição apresenta um limite de escoamento e uma resistência à tração muito mais elevados do que o aço de resfriamento lento com a mesma composição química, mas também apresenta menos usinabilidade; esse aço é chamado de aço endurecido.
É natural que o efeito de resfriamento seja mais pronunciado nas superfícies, enquanto enfraquece no interior, o que é de grande importância para o uso do aço. O aço endurecido contém altas tensões internas.
Procedimentos laboratoriais e térmicos: ataque ácido metalográfico, aquecimento, têmpera e recozimento requerem um laboratório ou oficina controlada, material identificado, equipamento apropriado e proteção. O tratamento térmico inadequado pode causar rachaduras, deformações, perda de tenacidade e altas tensões residuais.
Comportamento do aço durante o teste de tração
1. Aços estruturais comuns laminados
A partir do ensaio de tração, em primeiro lugar o módulo de elasticidade E pode ser determinado tanto para alongamentos totais quanto elásticos. O módulo de elasticidade do aço é 200 GPa.
Alongamentos permanentes ocorrem em baixas tensões, mas não são de particular importância na construção. O aço comum começa a “fluir” sob cargas que para o aço de construção comercial St 37 e o aço para concreto I excedem principalmente 0,24 GPa, e em seções grandes esse valor pode cair para 0,18 GPa. Como resultado do escoamento, ocorrem grandes deformações permanentes e “linhas de escoamento”. A linha do diagrama de alongamento do aço (figura abaixo) mostra que o limite de escoamento foi excedido (no carregamento de tração, esse limite também é chamado de limite de escoamento).
Quando, no caso de vigas de concreto armado, o limite de estiramento da armadura é ultrapassado na zona de tração, ocorrem alongamentos significativos no aço, criando fissuras e dobras na zona de tração da viga, o que prejudica a capacidade de carga da viga. Nos aços com alto teor de carbono, nos aços endurecidos e em geral nos metais não ferrosos, o limite de escoamento característico mostrado na imagem acima não aparece; os alongamentos permanentes geralmente aumentam e não há ponto de escoamento distinto. Nesses casos, como regra, o limite de escoamento é assumido como igual à carga na qual ocorre um alongamento permanente de 0,2%.
Valores não são dados de projeto: módulo de elasticidade, limite de escoamento, resistência e alongamento no texto são transferidos de uma fonte histórica. Para o cálculo, são considerados os valores característicos e de projeto da classe moderna exata, espessura e condição de entrega, juntamente com os fatores parciais relevantes, tolerâncias e requisitos de tenacidade, soldabilidade e fadiga.
2. Aços trefilados a frio
Em cada barra de aço que é endireitada ou dobrada, ocorre aço estirado a frio localmente. Ao fazer isso, o aço é tensionado localmente além do ponto de escoamento; na parte desenhada, o limite de desenho é aumentado. Se uma barra de aço simples for carregada em tensão até que o limite de escoamento seja excedido, ao recarregar observa-se que o valor do limite de escoamento aumentou. Quanto maior o intervalo de tempo de “pausa” entre duas cargas, mais o limite de escoamento aumentará.
Além disso, como durante o estiramento a frio o diâmetro também diminui proporcionalmente ao alongamento da barra, o aço que foi exposto a um estiramento significativo antes do teste apresentará um limite de escoamento e uma resistência à tração significativamente maiores do que o aço que não foi estirado; ao mesmo tempo, apresentará menos resistência ao impacto.
A trefilação a frio é utilizada na produção de aços para concreto IIb, IIIb e IVb (aço tor, malha de aço para construção), bem como na produção de fios para armaduras protendidas e cabos de pontes suspensas.
Trabalho a Frio e Reforço: As classes e descrições históricas trefiladas a frio não são indicativas de produtos modernos. Dobrar, endireitar, dobrar novamente, soldar ou aquecer o reforço pode alterar as propriedades e é permitido somente quando permitido pela documentação do produto, projeto e norma aplicável.
Comportamento do aço durante testes de pressão
O que foi dito sobre a elasticidade e sobre o limite de tração do aço fundido aplica-se no sentido correspondente à carga de pressão. Os valores do limite de escoamento do aço estrutural (no caso de pressão é denominado limite de escoamento) obtidos durante o ensaio de compressão e o ensaio de tração não diferem muito. Porém, sob pressão, um aumento na carga além do limite de britagem só é possível com elementos muito curtos.
Para hastes delgadas, aplicam-se as leis de flambagem. Ao mesmo tempo, em primeiro lugar, devem ser tidos em conta os pressupostos apropriados, quer se refiram à forma de apoiar e apertar as extremidades da haste, quer aos desvios do eixo da haste em relação à posição estabelecida.
Elementos prensados: a resistência do material por si só não determina a capacidade de carga da haste. Esbeltez, curvatura inicial, tensões residuais, flambagem local e global, apoios, juntas e imperfeições devem ser incluídos no cálculo do elemento de concreto.
Comportamento do aço no teste de flexão
Em relação ao limite de escoamento (observado de fora pelas grandes deflexões dos suportes ou pelas linhas de escoamento), é importante que ele ocorra durante o teste de flexão com tensões ligeiramente inferiores, mas superiores às obtidas ao testar a resistência à tração da barra de teste. Após exceder o limite de escoamento do aço nas zonas de tensão dos apoios, as cargas podem ser aumentadas se os apoios estiverem suficientemente protegidos contra flambagem ou torção.
Teste de flexão: a foto mostra o procedimento de laboratório, não os critérios de aceitação do produto. A geometria da amostra, suportes, velocidade, temperatura, direção de laminação e critérios de classificação devem corresponder à norma aplicada e ao tipo exato de aço.
Resistência à fadiga do aço
As propriedades de resistência determinadas durante testes normais de tração, compressão ou flexão fornecem informações detalhadas sobre o comportamento do aço sob carga estática. Ao mesmo tempo, deve-se levar em consideração que o limite de escoamento durante o carregamento estático de longo prazo será ligeiramente inferior ao limite obtido por testes normais até a falha. Se as cargas estáticas forem seguidas por cargas frequentes (por exemplo, pontes, trilhos de guindastes, veículos), ou se apenas cargas frequentes atuarem, então os dados poderão ser obtidos sobre o material apenas com base em seu comportamento sob condições que mais se aproximem das condições práticas. Portanto, os aços para elementos de construção, que serão expostos principalmente a cargas móveis, são testados por carregamentos frequentes.
Na maioria das vezes, cargas estacionárias e móveis ocorrem ao mesmo tempo. Os exemplos a seguir descrevem a essência do problema. Hastes mostradas na imagem1eles são feitos do mesmo material e fundidos na mesma haste. A haste inferior é dobrada lentamente por carga gradual; portanto, ele poderia ser dobrado. A barra superior é repetidamente submetida a cargas repetidas, com tensões muito inferiores às prevalecentes na primeira barra. Depois de algum tempo, a haste superior quebrou sem apresentar qualquer deformação permanente ao redor da fratura. De acordo com isso, o comportamento do material na ruptura depende significativamente da forma como a carga é aplicada. O exemplo acima, que se refere à carga de flexão, também é típico para outros tipos de cargas. Nas fotos2e3são mostrados exemplos de testes de tração; foto2refere-se a um exemplo simples de teste de rasgo, e a Fig.3para testes de tensão variável unidirecionais.
Relativamente à aplicação destes factos, é importante que - para além do comportamento demonstrado durante o ensaio de rasgo normal - seja especialmente avaliado o valor de um elemento construtivo que tenha sido perfurado ou cuja secção transversal tenha sofrido outras alterações. A resistência de uma haste perfurada a cargas frequentes é muito menor do que a resistência de uma haste não perfurada, uma vez que os limites de tensão aparecem nas bordas do furo. A tensão na borda do furo, se causada por cargas frequentes, será sempre significativamente maior que a tensão média. A consequência é que os elementos de construção perfurados sob cargas frequentes apresentam muito menos resistência do que os elementos não perfurados.
Uma observação final sobre fadiga: fissuras por fadiga podem ocorrer em tensões inferiores àquelas que causam deformação plástica visível. Furos, detalhes soldados, mudanças bruscas de seção, corrosão e danos alteram a categoria dos detalhes e a vida útil. Estruturas sob carregamento repetido requerem um cálculo especial de fadiga, um plano de inspeção e uma avaliação especializada de cada fissura detectada.