Noções básicas de estruturas de aço

Nota profissional importante: Este é um texto educacional de arquivo, não uma especificação de projeto atual, cálculo estático, prova de capacidade de carga ou instruções de fabricação e montagem. O projeto de estruturas de aço deve incluir ações reais, ligações, estabilidade, fadiga, incêndio, corrosão e todas as outras condições relevantes de acordo com regulamentos e normas válidas, sob responsabilidade do projetista autorizado.

A concepção e construção de estruturas metálicas não faz parte da actual oferta pública de Savo Kusić. O foco de produção atual consiste em janelas de madeira, janelas de madeira-alumínio e portas personalizadas.

As estruturas de aço têm uma característica comum: são feitas principalmente de aço laminado a quente. A união é feita por meio de rebites, parafusos ou soldagem. Isto inclui estruturas metálicas para pontes, edifícios, indústria e mineração, engenharia hidráulica, pilares, torres, tanques, num sentido mais amplo e para guindastes, construção naval, caldeiras, etc. O foco das apresentações seguintes é o tratamento de conceitos básicos.

Materiais

O principal material de construção das construções em aço são perfis laminados de aço de qualidade de construção S235, S275, S355, S420, S450. Dependendo da norma, existem vários tipos diferentes de aço para construção, onde o número na classificação geralmente indica a resistência à tração do aço. Existem vários símbolos de letras, onde neste caso o S significa aço estrutural. As formas mais comuns utilizadas são S, B (aços para concreto, armadura) e Y (aços de protensão).

Suportes laminados de aço

Existe uma vasta gama de suportes perfilados de aço e cada um tem a sua finalidade, vantagens e desvantagens.

• Perfis em U
• Perfis I com pernas estreitas (IPE, IPN)
• Perfis I com pernas largas (HEA, HEB, HEM, HD)
• Perfis/caixas ocas (redondas, quadradas, retangulares)
• Folhas
• Produtos formados a frio (obtidos laminando a frio uma tira plana e torcendo uma tira plana)

Cada um desses perfis difere em forma, dimensões, finalidade, etc. Por exemplo, existem mais de 20 perfis IPN diferentes, que diferem em dimensões; perfis maiores podem resistir melhor à flambagem (flexão e lateral-torção), deflexões, etc.

Existem quatro classes de aço dependendo se atingem o limite de escoamento quando a tensão é aumentada, se a análise é plástica ou elástica, qual a capacidade de carga da seção transversal, etc. Mais sobre a estrutura e a resistência do aço podem ser lidas aqui.

Equalização de tensão e capacidade de carga em carga constante

Capacidade de suporte. As dimensões das estruturas de aço são determinadas de forma que sejam excluídas deformações permanentes significativas. A capacidade de carga, por outro lado, em muitos casos não se esgota de forma alguma quando a tensão comparativa mais alta atinge o ponto de escoamento - então as deformações crescem muito mais rápido que as tensões. Para o aço estrutural, a mesma dependência do escoamento pode ser considerada como o limite da lei de Hooke para estados de tensão gerais. No caso de estados de tensão homogêneos, que são iguais em todos os lugares, nenhuma mudança ocorre quando o limite de proporcionalidade é excedido, exceto que as deformações totais crescem mais rápido que a tensão.

Equalização de tensões durante a flexão. No caso de flexão de uma viga, aplica-se a distribuição retilínea de tensões de acordo com a hipótese de Navier, até que a tensão de borda σ=M/W não exceda o limite de proporcionalidade. Expansões longitudinais ε = ε(σ). Isto é verdade pelo menos para pequenas curvas. Tensões superiores à tensão proporcional só podem crescer mais lentamente do que as expansões ε. Na fig. 1 mostra a distribuição das tensões de flexão para o diagrama operacional fornecido e para vários valores de expansão da borda. A área de proporcionalidade (marcada com um círculo em todas as linhas de tensão) torna-se, portanto, cada vez menor com o aumento da dilatação da borda. A tensão de borda é primeiro limitada por σF. Somente após deformações muito significativas a tensão máxima sobe acima de σF, de modo que a influência da armadura de aço estrutural se torna visível (caso 5).

Fig. 1 - Equalização de tensão de flexão

Equalização de picos de tensão. A distribuição de tensões longitudinais ao longo da seção através do meio do furo em uma haste perfurada tensionada corresponde aproximadamente à linha 2 na fig. 2. O pico de tensão σmax depende da relação d/b. É principalmente em torno de σmax = 2-3 σm, onde σm = S/FM denota o valor médio da tensão de tração na seção enfraquecida pelo furo em FM. Sl. 2 é válido até que o estado de tensão exceda o limite P. Em cargas mais altas, para atingir uma certa dilatação, tensões inferiores às de acordo com a lei da linha reta são necessárias apenas perto do furo. Nos pontos mais estressados, as tensões não aumentarão mais proporcionalmente com S, mas sim mais lentamente. Na fronteira, uma distribuição aproximadamente uniforme das tensões longitudinais σm = σf será obtida ao longo de toda a seção 2-2. As tensões de cisalhamento e transversais foram desprezadas. As ocorrências de equalização de tensões durante o lento aumento da força S na haste comprovam que se justifica o método usual para estruturas de aço sob o efeito de uma carga estática, de ignorar os picos de tensão durante o dimensionamento e comparar apenas a tensão média σm=S/Fm na seção enfraquecida Fm com o valor admissível.

Fig. 2

Procedimento de dimensionamento de acordo com a capacidade de carga

Com o aumento da carga, ocorre uma equalização da tensão na seção. Ao fazer isso, as tensões são reagrupadas das partes mais estressadas da seção para as menos estressadas. Desde que as deformações não sejam tão grandes que devam ser levadas em consideração no estabelecimento das condições de equilíbrio, este processo não pode alterar nada na magnitude da influência de S, M, etc. para estruturas determinadas estaticamente.

Apoios contínuos e de pórtico: sob a suposição da lei de Hooke, a linha de momento mostrada em a é obtida para um apoio contínuo de seção constante (fig. 3). As tensões de flexão são proporcionais aos momentos de flexão M. Se ambas as cargas aumentarem igualmente, o limite P será excedido primeiro no apoio central B. O limite de apoio é alcançado quando o momento limite MDF também é alcançado no campo. No caso de uma viga fixada em ambos os lados de uma seção simétrica constante com uma força concentrada (fig. 4), a equalização dos momentos existe desde o início. Quando o limite P é excedido, não há alteração na distribuição de momentos. Pelo contrário, no caso de uma carga igualmente distribuída (fig. 5) a equalização dos momentos leva a uma redução do momento de pinçamento de -2/3 Mo para -1/2 Mo.

Fig. 4

Fig. 3 e similares. 5, respectivamente: momentos fletores: a) antes, b) estado limite após o reagrupamento de forças; a) antes, b) depois da equalização de momento

Construções treliçadas: com treliças internamente estaticamente indeterminadas, existem dependências semelhantes às das construções com pórticos. As tensões secundárias, que estão relacionadas aos nós que são rígidos à flexão, podem ser desprezadas na primeira aproximação na avaliação da capacidade de carga. As seções plastificadas agem de forma semelhante às juntas, de modo que a ação estática da viga sob a carga última que ela ainda pode suportar é mais próxima daquela de uma treliça ideal com juntas nos nós. No caso de construções com cargas frequentemente repetidas, nas quais os fenómenos de resistência à fadiga devem ser tidos em conta, existem, portanto, dúvidas consideráveis ​​contra a tomada em consideração da equalização de forças durante o dimensionamento. Pelo contrário, é de importância prática concluir sobre a influência do deslocamento dos apoios. Como a resistência de trabalho dos elementos estruturais individuais depende apenas dos limites de tensão, e não do tamanho das deformações totais, os deslocamentos dos apoios não têm efeito na capacidade de carga.

Carga alternada: a suposição de um caso de carga constante raramente é realizada. Com vigas de ponte, existem estados de carga variáveis. Suposições sobre a distribuição de forças e tensões em elementos estruturais individuais, que simplificam, são comuns em trabalhos práticos com estruturas metálicas, de acordo com o anterior, são justificadas em circunstâncias normais. Isto é especialmente verdadeiro quando se desprezam os picos de tensão locais. Não pode ser recomendado aplicar o método de dimensionamento de acordo com a capacidade de carga sob carga de fadiga (dinâmica). Assim, o procedimento de dimensionamento de acordo com a capacidade de carga fica limitado ao caso de cargas predominantemente estáticas, especialmente para construções na indústria da construção civil. Nos restantes casos, em que se deve prestar atenção ao aparecimento de fadiga, deverão ser excluídas deformações significativas e tomada como base a teoria da elasticidade. Ao fazer isso, deve-se buscar uma distância suficientemente grande do ponto de escoamento. A resistência do aço de construção fornece alguma segurança adicional.

Estresse alternado

Alongamento a frio e envelhecimento: Na fig. 6 a linha tensão-dilatação de uma haste redonda, que foi exposta a tensões alternadas de tração e compressão, foi aplicada. Os processos de carregamento individuais são marcados com números de acordo com sua ordem. As dilatações elásticas que retornam após o descarregamento também ocorrem após grandes alongamentos proporcionais às tensões. Ao alterar o sinal de tensão, o limite P desaparece quase completamente. Portanto, as propriedades elásticas do aço de construção trefilado a frio não estão de acordo com os valores originais. Dependendo do processamento anterior, diferenças bastante significativas podem ser apresentadas.

Fig. 6

Junto com isso vêm mais sinais de envelhecimento. Este termo inclui todas as alterações nas propriedades que ocorrem ao longo do tempo sem influência externa. O envelhecimento por estiramento pode ser observado após deformação permanente por estiramento a frio. Se os corpos de prova permanentemente esticados forem deixados por algum tempo sem carga à temperatura ambiente, a resistência à tração e, em menor grau, a resistência ao rasgamento aumentam acima do valor original, enquanto o alongamento na ruptura diminui (Fig. 7). O processo de envelhecimento dura dias, mas é reduzido a algumas horas ou apenas minutos, se o aço estrutural for aquecido a cerca de 300 oC. Deve-se mencionar também que o envelhecimento por alongamento ocorre simultaneamente ao alongamento, se este ocorrer em temperatura. 200 – 400 oC, ou seja, na área de brilho azul.

Fig. 7 - a) linha de expansão de uma haste duplamente carregada; b) linha de dilatação de uma haste esticada em estado frio

Ação subsequente e histerese: Em um material completamente elástico, existe uma dependência mútua inequívoca entre a tensão e o estado de deformação, de modo que certas tensões correspondem sempre às mesmas deformações e vice-versa. Com uma determinada lei de elasticidade, as deformações não dependem do tempo decorrido desde a aplicação da carga, e também não da forma como a carga é aplicada. Os desvios do comportamento puramente elástico podem ser descritos em dois graus de aproximação: na região elástica existem pequenos desvios; eles podem ser ignorados na primeira aproximação. Eles podem ser determinados por medições precisas, especialmente quando se compara a tensão mais próxima do limite elástico. Ou seja, a dilatação não é apenas função da tensão, mas com um ciclo de carga fechado e a mesma tensão, é sempre ligeiramente menor durante a descarga do que durante a carga. Desvio da elasticidade completa, ou seja. a diferença entre as expansões correspondentes nas mesmas tensões é chamada de histerese elástica. Se o ciclo de carga for repetido com mais frequência, isso será obtido em tensões não muito altas - um circuito fechado de histerese ou amortecimento. Sl. 8 mostra os loops de amortecimento para vários valores de carga CA. A largura dos loops aumenta fortemente com a altura da tensão. A área do loop é proporcional ao trabalho de deformação, que é perdido a cada ciclo e convertido em calor. Além disso, as deformações são variáveis ​​não apenas com a altura da tensão, mas também com o tempo, pois dependem da velocidade e do método de carregamento. A parte da deformação, que depende do tempo, é chamada de efeito posterior. Histerese e efeito colateral ocorrem simultaneamente. Via de regra, não têm importância prática para os tipos de aço de construção que ocorrem em estruturas de aço à temperatura ambiente.

Sl. 8

Nota de aplicação: Designações históricas de materiais, suposições, diagramas e procedimentos no texto não devem ser usados ​​como substitutos dos padrões atuais, características específicas do produto, modelo de cálculo e verificação especializada da construção geral.