A presente dissertação enquadra-se no projeto de investigação e desenvolvimento Very High Strength
Steel Poles (VHSSPoles – ref. 21518), realizado no consórcio entre a empresa Metalogalva e a Facul-
dade de Engenharia da Universidade do Porto [28], [29].
Os seus objetivos têm como alvo a análise comparativa do dimensionamento e produção de postes de transmissão executados em aço macio e em aço de alta resistência.
As análises comparativas efetuadas tiveram por base a modelação e projeto de vários mastros constitu- ídos por aços de classe S235 até S690 e com características geométricas distintas.
13 1.5 ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO
O presente trabalho encontra-se distribuído em 7 capítulos. Neste primeiro capítulo é apresentada a introdução e o enquadramento teórico do estudo realizado.
No capítulo 2 apresenta-se os fundamentos físicos e características próprias dos aços estruturais, bem como o seu processo de fabrico e Normas em vigor para a sua correta utilização neste estudo.
O capítulo 3 expõe as ações regulamentares principais para o projeto de dimensionamento de um poste de transmissão, nomeadamente a ação do vento, a ação dos cabos condutores, a ação da temperatura e a ação sísmica, e as respetivas disposições normativas.
O capítulo 4 é dedicado às bases e considerações prévias para o projeto de um poste de transmissão. É ainda apresentado o novo método geral de verificação da encurvadura por flexão e da encurvadura lateral de componentes estruturais, presente no ponto 6.3.4 do Eurocódigo 3 parte 1-1 [30].
No capítulo 5 realiza-se uma explicação do processo de dimensionamento como também da aplicação informática própria para o efeito desenvolvida pelo autor. Apresenta-se ainda os resultados obtidos de 296 possibilidades de dimensionamento para um poste com algumas formalidades pré-definidas. O capítulo 6 desenvolve uma análise de custos de fabrico para os resultados anteriores a partir da qual se retira as características geométricas e mecânicas que permitem obter o poste de transmissão mais económico.
Por fim, no capítulo 7, são apresentadas as conclusões finais referentes aos objetivos propostos inicial- mente, terminando com a sugestão de trabalhos futuros que possam ser realizados.
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AÇOS ESTRUTURAIS
2.1 INTRODUÇÃO
No dia-a-dia da comunidade muitos dos materiais encontrados são metais. Estes possuem propriedades físicas bastante próprias como por exemplo: o brilho metálico, densidade, condutibilidade térmica e elétrica e a sua maleabilidade e ductilidade [31].
Estas características conferem capacidades peculiares que não são encontradas noutros elementos (con- dutibilidade e resistência apesar da deformabilidade) o que justifica a sua grande empregabilidade no quotidiano [32].
Dos elementos presentes na Tabela Periódica, 76% possuem propriedades metálicas [33]. Apesar de apenas nos últimos dois séculos se ter descoberto a grande maioria dos elementos metálicos alguns são já conhecidos há milénios, como o caso do ferro, ouro e cobre (Figura 2.1).
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Contudo, muitos dos materiais metálicos encontrados e utilizados na atualidade são na realidade ligas metálicas.
Uma liga metálica consiste na mistura de dois ou mais elementos químicos (em que pelo menos um é metálico e os restantes podem ser não metálicos, como por exemplo o silício e o carbono) o que origina um material cujo estado líquido ou sólido possui propriedades metálicas. As ligas mais utilizadas in- cluem, essencialmente, o bronze (liga de cobre e estanho), o latão (liga de cobre e zinco), o aço carbono (liga de ferro e carbono) o aço inoxidável (liga de ferro e crómio) e a solda (liga de chumbo e estanho) [34].
Segundo Colaço [35] o termo “aço” designa um conjunto de materiais extraordinariamente diversifica- dos (algumas centenas de ligas metálicas diferentes são designadas por “aço”), em termos de composi- ção química, microestrutura, propriedades e, naturalmente, aplicabilidade. O seu principal constituinte é o ferro, ou seja, os aços são ligas metálicas à base de ferro.
Os aços carbono são uns dos mais importantes tipos de aço existentes. Apesar dos seus elementos es- senciais serem o ferro e o carbono estes contêm sempre outros elementos secundários. De acordo com Chiaverini [36], o aço carbono pode ser definido como “uma liga Ferro-Carbono, que contém geralmente de 0,008% até aproximadamente 2,11% de carbono, além de outros elementos secundários (como silício, manganês, fósforo e enxofre), presentes devido aos processos de fabrico”.
A grande aplicabilidade e utilização dos aços à base de ferro na sociedade é também justificada (para além das suas propriedades excecionais) pela grande abundância de matérias-primas necessárias à sua produção e pelo seu preço competitivo. É um material capaz de ser produzido com características muito distintas por forma a atender um uso mais específico. Permite uma grande diversidade de produtos, desde um parafuso ou um fogão até uma ponte imponente ou um arranha-céus.
2.2 ESTRUTURA CRISTALINA DO FERRO
O ferro não surge na natureza de forma pura mas sim unido ao oxigénio sob a forma de óxidos de ferro, nomeadamente, a hematite e magnetite (Figura 2.2). Estes possuem uma aparência amarelada ou aver- melhada e necessitam de ser reduzidos (extração do oxigénio do ferro) de modo a se obter o ferro me- tálico [35].
17 Desconhece-se como foi alcançada pela primeira vez a redução do óxido de ferro. Especula-se que o ferro metálico resultou de fogueiras provocadas sobre areias ricas em óxidos de ferro onde o combustível seria madeira ou carvão. O carbono proveniente destes materiais teria retirado o oxigénio ao ferro (de- vido à maior afinidade) pelo que, sob as cinzas, teria ficado um material de carácter dúctil, com brilho acinzentado. Esse material seria o ferro metálico. Contudo, ao aquecer o óxido de ferro na fogueira, não só o óxido terá sido reduzido como também algum carbono terá migrado para dentro do ferro. Esta ligação daria assim origem, pela primeira vez, ao aço.
À temperatura ambiente, o ferro é um metal sólido. Assim, ao nível quântico os átomos de ferro encon- tram-se unidos entre si através de uma ligação química forte e específica – a ligação metálica. Neste tipo de ligação os átomos partilham os seus eletrões de valência, formando uma nuvem de eletrões livres à sua volta (banda de valência) que mantém a coesão do conjunto. É devido a esta esta banda que os metais detêm a capacidade de conduzir, com grande facilidade, a eletricidade.
Esta ligação metálica dispõe os átomos de ferro de forma organizada no espaço, designada por estrutura cristalina. Esta disposição espacial consiste numa geometria cúbica onde, à temperatura ambiente, oito átomos de ferro preenchem os vértices de um cubo virtual e um átomo de ferro ocupa o seu centro. A organização dos átomos de ferro nesta configuração constitui um cristal com uma estrutura cúbica de corpo centrado (CCC), tal como se ilustra na Figura 2.4. Este tipo de ferro – esta fase – designa-se por ferrite (Figura 2.3) e pode conter átomos de outros elementos químicos nela dissolvida.
Figura 2.3 – Ferrite [38]
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Com o aumento de temperatura ocorrem transformações nesta disposição atómica. A partir de cerca de 912 ºC os átomos de ferro alteram a sua geometria para um cristal de estrutura cúbica de faces centradas (CFC). Nesta configuração, oito átomos continuam a preencher os vértices do cubo virtual mas deixa de haver o átomo central passando a existir seis novos átomos no centro de cada uma das faces do cubo (Figura 2.6). Esta fase, designada por austenite (Figura 2.5), é mais densa e compacta que a ferrite. Esta transformação engloba uma contração do ferro que pode ter algumas implicações importantes nomea- damente a nível de acumulação de tensões internas, distorções e fissurações.
Figura 2.5 – Austenite [40]
Figura 2.6 - Estrutura cúbica de faces centradas [39]
A cerca de 1394 ºC, próximo do ponto de fusão do ferro a 1539 ºC, a estrutura cristalina rearranja-se e retorna à sua configuração inicial de estrutura cúbica de corpo centrado (CCC).
Estas modificações internas durante o aquecimento são designadas por transformações alotrópicas e provocam implicações dramáticas sobre as propriedades dos aços.
19 2.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS AÇOS
De uma forma geral, os aços quer de construção quer os das restantes ligas metálicas, possuem ductili- dade, ou seja, apresentam uma deformação plástica considerável antes de atingirem a rotura [35]. Esta é uma propriedade dos materiais na qual, sob a ação de uma força, estes se podem deformar sem partir. Um material muito dúctil suporta deformações consideráveis antes de atingir a rotura ao invés de mate- riais pouco dúcteis/frágeis que fraturam quase sem sofrerem deformação [41].
As curvas tensão-extensão permitem analisar um grupo de características e definir um conjunto de pa- râmetros fundamentais à caracterização das propriedades mecânicas dos aços. Estas curvas, obtidas atra- vés de ensaios de tração uniaxial, possuem uma apresentação semelhante à Figura 2.7:
Figura 2.7 - Curva de tração uniaxial de um material metálico [35]
2.3.1 DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
Na zona esquerda e primária da curva da Figura 2.7 a tensão varia linearmente com a extensão pelo que tem-se uma deformação elástica da peça ensaiada. O regime de deformação elástico caracteriza-se por uma total reversibilidade de deformações do material e retorno à sua forma original aquando o descar- regamento e anulação de tensões. O declive da reta corresponde ao módulo de Young, E, que é um indicador da rigidez do material: quanto menor for este valor mais se deformará o material quando sub- metido a uma determinada tensão e vice-versa.
A área abaixo da curva tensão-extensão tem unidades de energia por unidade de volume. No domínio elástico esta área designa-se por resiliência e corresponde à energia máxima que o material pode absor- ver de forma reversível, isto é, que possa ser restituída totalmente ao exterior (Figura 2.9).
A tensão de cedência, σced ou fy, representa a tensão máxima a que o material pode ser submetido em regime elástico. Este parâmetro é de grande importância na medida em que o material em serviço numa estrutura nunca poderá estar submetido a uma tensão superior a este valor. Isso implicaria uma defor- mação permanente com consequente perda de funcionalidade.
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Contudo, este valor nem sempre é de obtenção concreta e direta em todos os materiais pelo que por vezes é necessário recorrer a alguns critérios. Um método comum é traçar uma linha paralela à curva de tração desviada de 0,2% para a direita. A tensão de cedência a 0,2% corresponde ao ponto de intersecção da entre a linha e a curva de tração (ponto B na Figura 2.8). Este procedimento corresponde a uma sobre estimativa da tensão de cedência real (ponto A na Figura 2.8) pelo que é necessário compensar em projeto este desfase através de coeficientes de segurança apropriados.
Figura 2.8 - Determinação da tensão de offset a 0,2%
Em aços macios recozidos (tipicamente aços com teores de carbono inferiores a 0,05%) este problema já não sucede na medida em que existe um patamar de cedência onde há uma transição visível entre o regime elástico para o domínio de deformação plástico, tal como se apresenta na Figura 2.9:
21 2.3.2 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Com a continuação do carregamento no ensaio de tração uniaxial e após a passagem do regime de de- formação elástico o material entra no regime de deformação plástica (deformação permanente). A sec- ção da curva de tração correspondente à deformação plástica ocorre quando não há uma variação linear da tensão com a extensão (Figura 2.10). Se a tensão de cedência for ultrapassada, o material ao ser descarregado no ensaio uniaxial apenas recuperará a parcela respeitante à deformação elástica e possuirá danos permanentes devido à sua deformação plástica, nomeadamente, o aumento de comprimento do provete de ensaio e redução da secção transversal.
A variação não linear tensão-extensão de ligas metálicas em regime plástico pode ser aproximada a uma lei de potência do tipo:
𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 = 𝐾 · (𝑒𝑥𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜)𝑛
em que K e n são constantes que dependem do material analisado.
Figura 2.10 - Ciclo de carga e descarga onde a tensão de cedência é ultrapassada
Para que o metal continue a deformar plasticamente é necessário um aumento de tensão designado por endurecimento. Isto sucede até se atingir um máximo de tensão onde se inicia o processo de rotura que culmina na fratura total do material. Até esse máximo ser atingido a deformação plástica da amostra é uniforme designando-se, por isso, a tensão correspondente ao máximo por tensão máxima uniforme, σmu. A partir desta última surgem microfissuras no interior do material que se vão propagando até à fratura e a deformação deixa de ser uniforme: a velocidade de deformação na região onde aparecem as fissuras é superior à velocidade de deformação das restantes zonas do provete devido à concentração de tensões na vizinhança dessas fissuras de onde resulta uma deformação localizada. Esta última designa- se por zona de estricção (Figura 2.11) e é onde ocorre a fratura total do material.
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Figura 2.11 - Fenómeno de estricção [42]
O valor da tensão máxima uniforme, σmu, indica o limite máximo à deformação plástica a que o material pode ser submetido antes de ser colocado em serviço.
Em postes de transmissão cuja secção transversal é um poligonal regular, o seu fabrico implica a sub- missão das placas de aço à quinagem (dobragem). Se neste processo for ultrapassada localmente a tensão máxima uniforme então iniciou-se na região do painel afetado o processo de rotura, com formação de pequenas microfissuras no interior do material. Visto que estes danos não são detetáveis por observação (macro ou microscopicamente) é imprescindível o controlo deste fenómeno na medida em que são locais de concentrações de tensões, podendo-se propagar sucessivamente quando a estrutura se encontrar em serviço mesmo encontrando-se esta submetida a tensões inferiores à tensão de cedência (desenvolvendo fadiga e consequente colapso).
A tenacidade (resistência à rotura frágil) de um material também pode ser medida através da área abaixo da curva tensão-extensão. A esta área corresponde uma energia (por unidade de volume) absorvida pelo material desde o início da deformação até à fratura (Figura 2.12).
23 2.3.3 TENACIDADE, FRATURA DÚCTIL E FRATURA FRÁGIL
A tenacidade é uma propriedade física dos materiais que corresponde à energia que estes podem absor- ver por deformação plástica antes de fraturar [41]. Sob certas condições os metais podem perder a sua característica de ductilidade passando a apresentar um comportamento frágil [43]. Este fenómeno ocorre de forma frequente quando, por exemplo, a temperatura a que o material se encontra é muito baixa ou quando a velocidade de aplicação de cargas é suficientemente alta.
É uma propriedade importante aquando a seleção de aços estruturais para serem empregues em estrutu- ras cujas condições podem levar à fratura frágil (fratura brusca que ocorre com o mínimo de deformação plástica do material) [35].
A tenacidade de um material pode ser estimada por dois métodos:
Pelo cálculo da área abaixo da curva tensão-extensão no ensaio de tração uniaxial. É um método pouco representativo da resposta do material a impactos súbitos, isto é, um aço que apresente uma tenacidade elevada para velocidades de deformações baixas poderá possuir um comporta- mento frágil se a velocidade de impacto for elevada;
Por ensaios de impacto normalizados como é o caso do ensaio Charpy ou Izod onde um provete de geometria normalizada é sujeito a uma colisão com um pêndulo em movimento. Calcula-se a quantidade de energia absorvida pela amostra quando submetida à ação de um esforço de impacto de valor conhecido. A energia dissipada permite avaliar a tenacidade do material.
Estes últimos são os utilizados mais frequentemente. Permitem ainda determinar a temperatura de tran- sição dúctil-frágil que alguns aços apresentam, TTdúctil/frágil. Quando o material está submetido a uma
temperatura abaixo desta temperatura crítica (TTdúctil/frágil), este deixa de usufruir um comportamento
dúctil passando a apresentar um comportamento frágil. Alguns tipos de aços, como o aço inoxidável austenítico, não exibem esta transição enquanto alguns aços-carbonos apresentam uma transição dúctil- frágil em temperaturas próximas dos 0 ºC. Esta característica é de grande interesse para o projetista durante a seleção de materiais caso a estrutura a edificar possa estar submetida a condições ambientais que envolvam diminuições acentuadas de temperatura.
O tipo de fratura do aço pode ser determinado através de uma análise de superfície da mesma:
Uma superfície fibrosa com evidência de extensa deformação plástica está associada a uma fra- tura dúctil (Figura 2.13);
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Uma superfície lisa e clivada está associada a uma fratura frágil (Figura 2.14);
Figura 2.14 - Fratura frágil obtida num ensaio Charpy [35]
Uma superfície com características de ambos os anteriores (Figura 2.15);
Figura 2.15 - Fratura mista obtida num ensaio Charpy [35]
De um modo geral, a tenacidade deve ser sobretudo considerada quando a peça possui pontos com con- centração de tensões, como por exemplo descontinuidades, furos, pontos de soldagem ou chanfros agu- dos.
Aços com teores de carbono mais reduzidos e grão mais refinado geralmente possuem uma tenacidade superior comparativamente com outros aços. O recozimento de alívio de tensões, realizado através de um aquecimento e estágio do aço a temperaturas entre 250 ºC a 400 ºC seguida de um arrefecimento lento, também pode levar a um acréscimo da tenacidade do aço.
25 2.3.4 EFEITO DA TEMPERATURA
A temperatura constitui um fator determinante nas propriedades mecânicas dos aços. Temperaturas su- periores a 500 ºC originam alterações da microestrutura do material e consequentes reduções abruptas das tensões de cedência, fy, e fratura, fu, e do módulo de Young, E.
Este último, que é sensivelmente igual a 200GPa à temperatura ambiente, a cerca de 480 ºC decresce para 170GPa. Com o sucessivo aumento da temperatura do material resulta uma perda total de resistên- cia e rigidez do mesmo, como se observa na Figura 2.16.
Figura 2.16 - Variação da tensão de cedência com a temperatura de um aço-carbono [35]
Deste fato se retira a importância da proteção do aço ao fogo, já que uma exposição prolongada ao mesmo pode resultar numa perda de capacidade de sustentação da estrutura e/ou danos irreparáveis na sua funcionalidade.
Por outro lado, as temperaturas elevadas provocam um aumento dos níveis de corrosão, desgaste e ero- são da superfície do aço do qual poderá advir diminuição de espessuras e consequente perda de resis- tência devido a uma redução da secção útil.
2.3.5 VARIABILIDADE DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS
Apesar da grande uniformidade e constância geral das características dos aços estes, por vezes, sofrem de pequenas alterações locais das suas propriedades mecânicas.
Estas variações devem-se sobretudo a pequenas diferenças na composição química do aço, ou a peque- nas desigualdades no seu historial térmico e mecânico durante o processo de fabrico.
Na Figura 2.17 apresenta-se uma distribuição de propriedades mecânicas de 224 chapas de aço ASTM A285 adquiridas a 6 fornecedores distintos durante um período de 8 anos:
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Figura 2.17 - Distribuição de propriedades mecânicas de 224 chapas de aço ASTM A285 [35]
Apesar do espectro de variação ser reduzido é fundamental ter em atenção esta variabilidade no controlo de qualidade do material e nas especificações de projeto.
2.4 EFEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA
2.4.1 O CARBONO
O ferro puro tem propriedades mecânicas pouco interessantes na medida em que tem excessiva ductili- dade, é muito macio e possui uma baixa resistência a esforços. Contudo, a introdução de pequenas quan- tidades de carbono na composição altera radicalmente estas características. De fato, o teor de carbono nos aços raramente ultrapassa 2% (caso contrário tem-se ferro-fundido) em massa sendo que nos aços estruturais este valor decresce para os 0,3% [35].
De acordo com a Figura 2.18, um acréscimo do teor em carbono no aço leva ao aumento da dureza de Brinell e das tensões máximas de tração. Em contrapartida, o aumento do teor de carbono origina uma perda de ductilidade e maior fragilidade:
27 Apesar de provocar uma diminuição da tenacidade, a presença do carbono nos aços introduz melhorias significativas das suas propriedades devido essencialmente a duas razões.
A primeira deve-se ao fato de os átomos de carbono serem 4,5 vezes mais leves que os átomos de ferro e 27 vezes menos volumosos. Isto faz com que a proporcionalidade atómica seja muito maior do que a proporcionalidade mássica, ou seja, um aço com 0,2% em percentagem mássica de carbono tem 1% em percentagem atómica.
A segunda está relacionada com o efeito que os átomos de carbono geram na estrutura cristalina do ferro. As estruturas cristalinas do ferro não são perfeitas e possuem defeitos naturais tais como lacunas, interstícios, limites de grão, etc. Dentro deste conjunto existe um defeito que tem influências dramáticas sobre as propriedades mecânicas de um material: são as deslocações (Figura 2.19).
Figura 2.19 - Movimento de uma deslocação (cunha) num cristal cúbico [35]
As deslocações permitem o escorregamento e movimento entre átomos durante a deformação plástica. De forma geral são estas translações atómicas que definem e controlam a cedência (passagem do regime