Construção e dimensionamento

Geral

Projeto estrutural é normalmente um processo criativo, individual. Às vezes não é possível viabilizar regras de aplicação geral para projetos de construções para que o engenheiro possa usar mecanicamente. Logo, o rumo a ser seguido para projeto e construção deve ser:

O projeto de uma estrutura que seja a mais segura possível e possa ser concluída no prazo e de acordo com o custo calculado.

O mais efetivo, desempenho ilimitado de um componente, unidade ou estrutura durante a durabilidade desejada;

Elementos Estruturais

O componente fundamental de uma estrutura é a área da viga que é submetida a tensões por momento fletor. A seleção do perfil é influenciada por vários fatores que são parcialmente contraditórios:

– Capacidade de carga e escoamento necessários

– Possibilidade de conexão com os componentes adjacentes

– Penetração necessária para as linhas de serviço

A tabela a seguir mostra uma série de diferentes perfis de vigas de aço em relação aos limites de comprimento e características físicas específicas do perfil.

Tabela 1

Configuração das vigas soldadas

Vigas soldadas são usadas se seções laminadas não são adequadas a situações específicas ou se elas não são viáveis financeiramente. Vigas soldadas podem ser adaptadas facilmente conforme seu propósito e carga. A otimização não deve ser somente baseada no peso da viga, mas também nos custos de produção, especialmente em relação ao corte e soldagem necessários.

A capacidade de carregamento de vigas extensas (pontes, gruas, etc.) está adaptada, normalmente, aos esforços e momentos internos e pela variação da altura das vigas.

A adaptação da capacidade de carregamento de acordo com os momentos internos “M” e os esforços internos “V” é designado como Tolerância de Momento Fletor ou Tolerância da Força de Cisalhamento. Para a viga representada a seguir, que tem um momento fletor máximo “M” e um momento mínimo de resistência “Mo” da seção transversal básica, é necessário um reforço cobrindo a extensão “lo” em toda a área central da viga.

Os reforços devem ser produzidos com arranjos de vigas ou adicionando vigas. A intersecção da curva de momento e a linha horizontal “Mo” é chamada teórica e aritmeticamente de extremidade de reforço. A viga adicionada deve ir além desta intersecção

Só se aplicam elevadas capacidades de carga na viga de reforço se a seção transversal estiver conectada rigidamente pelas soldas adjacentes. De acordo com a DIN 18800 Parte 1, toda junta de viga deve atender à finalidade calculada e estar de acordo com a espessura da viga.

Juntas de vigas

Quando soldamos juntas de vigas, devemos verificar se a soldagem está sendo feita numa seção laminada ou numa seção de viga soldada.

Para juntas de vigas soldadas é importante que as juntas de vigas e chapas web não estejam planas para prevenir acumulação de solda.

Se as chapas de componentes submetidos a cargas predominantemente estáticas de espessuras diferentes são unidas topo a topo, deve-se nivelar até 10 mm para o caso das excêntricas e até 5 mm
para as centralizadas.

Se as juntas de vigas coincidirem, deve-se chanfrar as partes a serem soldadas. Antes de soldar as juntas de topo os cantos devem ser alinhados de forma que a conexão permaneça até o final da soldagem.

Conexões de vigas de seção laminada com os tão chamados “remendos de topo” são maus exemplos. Devido à extensão a ser conectada, a contração de tensões na zona de transição do reforço eleva a níveis críticos a tensão nominal calculada.

Configuração de reforços convenientes para soldagem

No caso de reforços com corte diagonal aos cantos (veja acima) nós, por vezes, temos um ponto não soldado nas extremidades. Isto nem sempre é um problema em estruturas com carga estática. É essencial que se selecione um comprimento de perna suficiente para o corte diagonal “f” com o intuito de garantir o acabamento desejado dos cantos. Além disso, devemos garantir que a distância entre os reforços e o canto da peça “c” seja suficiente para um perfeito encaixe. A distância é designada de acordo com as espessuras requeridas e pode ser “c=3” para reparar possível falta de fusão dos cantos do flange durante a soldagem dos reforços.

Pontos não soldados podem ser reparados pela aplicação da variante II representada a seguir. O raio de conexão deve ser por volta de 35 mm para garantir um acabamento aceitável. No caso de chapas espessas, pode ser necessário um raio menor que 35 mm.

Ao soldar uma seção transversal, o vão previne o acúmulo de solda e tensões multiaxiais que levam à fragilização do material e, portanto, ao risco de fratura frágil. Nas seções laminadas os vãos previnem a dificuldade de aplicação de reforços ao perfil da seção. Em caso de pequenas dimensões, os requisitos mencionados acima podem apontar uma discrepância entre as partes do reforço conectadas e desconectadas. Em casos extremos pode-se até adicionar chumbo para soldar extensões que são pequenas demais para serem consideradas efetivas.

Esta versão também pode ser satisfatoriamente aplicada a seções soldadas constituídas de chapas de espessuras menores.

Se a espessura é T≤ 16 mm, material quebradiço não é viável. Em componentes importantes, deve-se proceder de forma que primeiro as soldas longitudinais são soldadas com as dimensões especificadas, em seguida o revestimento e a soldagem de reforço.

Soldas de faces côncavas e seções laminadas

 Não são permitidas soldas longitudinais em faces côncavas de seções laminadas produzidas de ferro fundido.

Soldagens em regiões conformadas a frio

A soldagem é permitida se as dimensões do perfil estiverem de acordo com a tabela a seguir. Isto não se aplica se os componentes conformados a frio forem normalizados para soldagem;

Conexão de viga

Seleção de tipos de aço

Geral

Quando selecionamos aços para estruturas soldadas devemos conhecer os quatro tipos de fraturas existentes a fim de garantir segurança necessária ao projeto.

Os quatro tipos de fratura são:

• Fratura dúctil
• Fratura por fadiga
• Fratura frágil
• Fratura lamelar

Possíveis riscos devido aos dois primeiros tipos de fraturas podem ser identificados pela análise estrutural e por detalhamento estrutural de acordo com os limites especificados.

Por hora serão detalhados os fundamentos dos riscos de fratura frágil e as precauções necessárias.

Klöpel e Bierett apresentam o Richtline des Deutschen Ausschu für Stahlbau DAST-Ri-009 “Recomendações para seleção de composições de aço para estruturas soldadas”. Este guia serve para aprofundamento a respeito de fraturas frágeis em estruturas de aços tipo S235, S275, S355 de acordo com DIN EN 10025.

O que é uma fratura frágil

Fratura frágil é um tipo de falha que aparece durante o tensionamento do material no limite de elasticidade. Diferente da fratura dúctil, a fratura frágil ocorre sem a necessidade de deformação plástica. As características externas da fratura frágil são semelhantes em espessura e proporções. Às vezes, também classificamos a fratura frágil como fratura não-dúctil.

O plano cristalino da fratura é fino e tem uma superfície granular e brilhante.

A tendência a fraturas frágeis de construções de aço é muito perigosa devido à fratura ocorrer sem aviso prévio.

Uma fratura frágil não é, necessariamente, resultado de um detalhe estrutural ou de tensões de operação. Há também casos críticos de danos onde s fratura frágil ocorre sob baixo tensionamento da estrutura.

Nos primórdios da tecnologia de soldagem havia numerosos casos de fratura frágil, hoje, as regras básicas para prevenção de fraturas frágeis são conhecidas e raramente ocorrem falhas.

Variáveis que influenciam para o risco de fratura frágil

As variáveis são:

• Situação de tensionamento
• Temperatura ambiente
• Espessura da peça
• Conformação a frio

A seleção do tipo de aço influencia estas variáveis de certa forma. Além disso, a importância do componente é decisiva para a seleção.

Estado de tensionamento

O risco de fratura frágil é gerado por elevadas concentrações de tensão, especialmente com estados de tensão multiaxiais. Os fatores a seguir são decisivos para as situações de tensão esperados na estrutura.

•  tensões residuais de cargas de serviço;
• Concentrações de tensões residuais de detalhes estruturais;
• Condições de manufatura durante a soldagem.

Para análise das tensões, nós as diferenciamos em estados:

Além disso, as chapas dobradas submetidas a “baixas” tensões e componentes relativamente expostos a situações de “elevada” tensão, podem ser classificados como “médias”.

Além disso, componentes de transições bruscas de seções transversais, concentrações de tensão, aplicações concentradas de cargas e situações de tensões multiaxiais devem ser classificadas como “elevadas”.

Temperatura ambiente

O risco de fratura frágil surge com a queda de temperatura pois a deformabilidade dos aços diminui.

As temperaturas baixas de uma estrutura são fixadas entre certos limites, -10°C (estimativa de temperatura mais baixa em construções fechadas) e -30°C (estimativa de temperatura mais baixa em locais abertos). Se a temperatura é menor, então os requisitos relativos ao aço devem ser aumentados.

– Espessura da peça

A espessura da peça é essencial para a seleção do material. O risco de fratura frágil aumenta com o aumento da espessura da peça. Isso resulta de:

• Resfriamento desigual durante e após a laminação;
• Rápida dissipação de calor durante a soldagem (tensão residual de soldagem ou perigo de endurecimento e consequentemente, fragilização metalúrgica).

A seleção do tipo de aço depende da espessura da peça na região da solda.

Conformação a frio

O risco de fratura frágil se afirmar com a aplicação de conformação a frio. Conformações a frio até 2% não são levadas em consideração. Esta conformação resulta do processo ou condições inevitáveis de produção e acomodação.

No caso de maior tensão, deve-se observar as condições da região de solda, incluindo áreas adjacentes numa distância igual a 5t (veja tabela 2).

Tabela 3: Seleção de tipos de aço por seções de conformação a frio

Importância do componente

Quando selecionado o tipo de aço, deve-se verificar o risco de falha devido a fratura frágil no componente em consideração. Dependendo das possíveis consequências de uma falha, nós os classificamos como:

– Componentes de primeira ordem

Componentes que são essenciais para a duração e função de toda estrutura de suporte, ou é a parte mais importante, ou componentes submetidos a uma tensão admissível acima de 70% devido à carga permanente.

– Componentes de segunda ordem

Componentes que causam falhas locais ou uma redução local das funções da estrutura, mas não chega a questionar a durabilidade ou função da estrutura de suporte por completo ou de suas partes importantes.

Determinação dos tipos de aço

A influência do estado de tensão, da importância do componente e da temperatura ambiente são listadas na tabela a seguir. Além disso, a tabela diferencia a tensão, a compressão e a tração. Resultando dos fatores citados anteriormente são determinados cinco níveis de classificação. O nível 1 indica a maior qualidade dos requisitos, o nível 5, a mais baixa.

Tabela 4: Determinação dos níveis de classificação

O tipo de aço é determinado de acordo com o nível de classificação e espessura de trabalho com base na tabela 3.

Tabela 5: Determinação do tipo de aço

Exemplo de determinação dos tipos de aço

Esse texto foi traduzido por alunos da fatec-sp
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