Cabos de Aço

O primeiro cabo de aço produzido na história, segundo Irvine (1981), foi projetado em 1834 por Wilhelm Albert, um engenheiro de minas e dono de uma mina de carvão na Alemanha. Albert inventou o processo de elaboração de fios de ferro torcido e assim construiu o primeiro tipo de cabo metálico, que veio substituir com vantagens as correntes que eram então utilizadas na indústria de mineração. Os cabos de aço evoluíram muito desde os primeiros dias, mas o seu conceito básico permanece o mesmo: um conjunto de fios helicoidalmente reunidos para formar uma corda de metal para resistir à tração com flexibilidade adequada.

2.2.1.1 Características Construtivas das Cordoalhas e dos Cabos de Aço de Fios Torcidos Os sistemas estruturais formados por cabos são compostos, geralmente, ou por cordoalhas de aço ou por cabos de aço de fios torcidos. Fio ou arame é um metal de comprimento contínuo

único, com uma seção transversal circular ou não. Segundo a NBR ISO 2408 (ABNT, 2008), arame é um fio de aço obtido por trefilação. Uma cordoalha consiste de um arranjo de fios de aço dispostos em hélice, em uma ou mais camadas, ao redor de um eixo, usualmente composto de um fio central, produzindo uma seção simétrica. Esse tipo de cordoalha pode ser denominado como sistema aberto, conforme pode ser observado na Fig. 2.5. As cordoalhas de aço de fios paralelos justapostos e cobertos por um enrolamento contínuo para mantê-los unidos são quase exclusivamente empregados em pontes pênseis.

Figura 2.5– Cordoalhas de aço de sistema aberto

Fonte: Adaptado de http://www.cabosdeacocablemax.com.br/cordoalhas.html

Existe outro tipo de sistema de cordoalha, que consiste de fios de aço dispostos da mesma forma como descrito anteriormente, mas que são envolvidos por uma ou mais camadas fechadas de arames de seção Z, que se denomina cordoalha fechada, conforme pode ser observado na Fig. 2.6. Esse tipo de sistema é utilizado, por exemplo, em teleféricos e tem a vantagem sobre a cordoalha aberta de possuir maior módulo de elasticidade, no entanto a carga última não aumenta proporcionalmente, já que é um valor limitado pela resistência à ruptura dos fios de aço individuais.

Figura 2.6– Cordoalhas de aço de sistema fechado Fonte: Aguiar (1999)

Existem cordoalhas para fins estruturais fabricadas com 7 até 277 fios, com diâmetros de 12,7 mm a 101,6 mm, e força de ruptura nominal que vai de 126 kN a 8.232,5 kN, segundo a norma A586 – 04a (ASTM, 2009) e1.

Os cabos de aço de fios torcidos, Fig. 2.7, apresentam uma pluralidade de fios denominados

pernas, as quais são dispostas helicoidalmente em torno de um núcleo central chamado alma.

a 61 fios de aço. Sendo assim, os cabos de aço de fios torcidos são identificados por dois números: o primeiro indicando o número de pernas e o segundo indicando o número de fios por perna, por exemplo, cabo 6 x 19. Conforme norma A603-98 (ASTM, 2009) e1, os cabos são fabricados com diâmetros que variam de 9,53 mm a 101,6 mm e força de ruptura nominal de 52,51 kN a 6.497 kN.

Figura 2.7- Construção do cabo de aço de fios torcidos Fonte: https://br.images.search.yahoo.com/search/images

2.2.1.2 Resistência do Cabo de Aço

Segundo a NBR ISO 2408 (ABNT, 2008), ISO 2408 (2004) e A475-03e1 (ASTM, 2009), os cabos de aço são fabricados em diversas categorias classificadas pela resistência dos fios de aço que os compõem, conforme a Tab. (2.1).

As siglas PS, IPS, EIPS e EEIPS referem-se aos primeiros estágios do desenvolvimento do cabo de aço e permanecem até hoje. A curva de resistência “Plow Steel” forma a base para o cálculo de todas as resistências dos fios de aço. As categorias também são caracterizadas, além da resistência à tração, pelo módulo de elasticidade, resistência à fadiga e à abrasão, cuja importância dependerá da aplicação do cabo de aço.

A força de ruptura teórica do cabo de aço é obtida através da resistência dos fios de aço multiplicada pelo total da área da seção de todos os fios. A força de ruptura mínima do cabo de aço é obtida através da força de ruptura teórica do mesmo, multiplicada pelo fator de encablamento que varia conforme as diversas classes de cabos de aço de cada fabricante. A

força de ruptura medida é determinada em laboratório, através do ensaio de tração do cabo de aço.

Tabela 2.1 – Resistência à tração dos fios de aço Categoria de Resistência

(Nomenclatura Europeia)

Categoria de Resistência (Nomenclatura Americana)

Resistência à tração dos fios de aço

- HS (High Strength) 5,92 a 505,32a

- EHS (Extra High Strength) 8,14 a 721,50a

1570 PS (Plow Steel) 1.370 a 1.770b

1770 IPS (Improved Plow Steel) 1.570 a 1.960b

1960 EIPS( Extra Improved Plow Steel) 1.770 a 2.160b

2160 EEIPS (Extra Extra Improved Plow Steel) 1.960 a 2.160b

Fonte a: (kN) A475-03e1 (ASTM, 2009)

Fonte b: (N/mm2 _{= MPa) NBR ISO 2408 (ABNT, 2008)}

2.2.1.3 Diagramas Tensão versus Deformação para Cabos

Existem dois tipos de deformação longitudinal no caso dos cabos de aço. A deformação do aço propriamente dita (objetiva), podendo ser elástica ou inelástica e a deformação estrutural que é variável e depende das características construtivas dos mesmos.

Conforme Irvine (1981), na maioria das aplicações estruturais de cabos, a deformação estrutural deve ser removida através de um processo de pré-esticamento, que consiste na aplicação de certo nível de força de tração ao cabo, em torno de 55% da sua resistência à ruptura estimada, e na sua manutenção por um determinado período de tempo, suficiente para permitir o ajustamento das partes componentes do cabo àquele carregamento, em um ou mais ciclos. Esse processo de pré-esticamento permite estabilizar as propriedades elásticas do material com consequente aumento do módulo de rigidez.

O módulo de rigidez dos cabos depende de vários fatores, como por exemplo, do tipo de construção do cabo, dos tipos de acabamentos e do número de ciclos de pré-esticamento. O valor do módulo de rigidez aumenta cerca de 20% para cabos usados ou novos pré-esticados, sendo menor nos cabos novos ou sem uso. Segundo Irvine (1981), as curvas típicas de tensão

versus deformação dos cabos não possuem patamar ou ponto de escoamento definidos. Dessa

deformação e a resistência à ruptura correspondendo a uma deformação em torno de 3%. O limite elástico para cabos de aço usuais é de aproximadamente 50% da sua força de ruptura. Os fabricantes fornecem apenas alguns parâmetros dos cabos, tais como a resistência mínima de ruptura e um módulo de elasticidade aproximado, mas nenhuma informação sobre a curva tensão-deformação com a respectiva região elástica é definida. A norma 19-10 (ASCE, 2010) especifica que o módulo de elasticidade (Es) corresponde à secante à curva tensão (σ) versus

deformação () do cabo entre 10% da resistência à ruptura (u) e 90% da resistência ao pré-

esticamento (pe), como ilustra a Fig. 2.8.

Figura 2.8 – Módulo de elasticidade secante segundo a ASCE 19-10 (2010)

Existem na literatura registros de experimentos científicos de vários autores no sentido de se determinar uma melhor aproximação para as curvas tensão versus deformação dos cabos, dentre os quais se podem citar: