Propriedades gerais do material metálico 1 Material ao longo da história

No início do séc. XVIII surgiu um método de produção de ferro com boas características de resistência, o ferro fundido [1]. O processo de fabricação deste material era realizado com recurso a moldes, contendo na sua constituição uma percentagem elevada de carbono (>2%) [30]. O arrefecimento lento na sua produção originava fissuras internas, conferindo-lhe propriedades de ductilidade baixas [30]. Assim, este material caracteriza-se pela sua boa resistência quando submetido a esforços de compressão, contudo torna-se frágil quando sujeito a esforços de tração, daí a sua utilização em sistemas estruturais em arco, como é exemplo a sua aplicação na primeira ponte metálica.

O desenvolvimento da industria siderúrgica no séc. XIX permitiu a produção industrial de ferros pudelados, substituindo gradualmente a utilização do ferro fundido [31]. Desta forma verificou-se um consequente aumento da construção metálica. O ferro pudelado (wrought

iron), também denominado por ferro forjado apresenta um baixo teor em carbono (<0,01%),

elevadas quantidades de escória e outros elementos com baixas concentrações (S, Si, Cu, Mo, Ni, Mn) [2] [31]. O processo metalúrgico utilizado para este tipo de material consiste em

aquecer e agitar (pudlar) a matéria prima durante um longo período de tempo a temperaturas crescentes de forma a eliminar o carbono [2]. O exame micrográfico do ferro pudelado revela a sua não homogeneidade, devendo-se este facto às diversas quantidades de elementos não desejados presentes na sua constituição [30]. Refere-se ainda que este material possuiu qualidades aceitáveis de ductilidade e resistência à corrosão [2].

A produção em larga escala do aço começou com o processo Bessemer 1856, seguindo pelo processo Martin-Siemens 1867 e o processo Thomas-Gilchrist 1878 (Figura 2.21). A maioria das pontes metálicas ainda hoje são constituídas em aços produzidos com um destes processos.

O aço começou a ser produzido no final do séc. XVIII e a sua utilização na construção de pontes começou no início do séc. XIX. Nessa altura o processo de produção do aço não permitia a sua utilização em grande escala. Por volta de 1870, surge o aço laminado e em 1874 é concluída a primeira grande ponte de aço do mundo, a ponte Eads, em Saint Louis, Missouri, com três vãos de 159 m cada.

Ao longo do séc. XX o progresso na siderurgia do aço foi notório. O desenvolvimento de novos tipos de aço com maior resistência e ductilidade conduziram à produção de aços de alto desempenho (High Performance Steel), este tipo de material permitiu a construção de pontes inovadoras [2].

2.3.5.2 Caracterização mecânica do material

As características mecânicas do aço podem ser obtidas com base em ensaios, nomeadamente ensaios de tração uniaxial. A realização destes ensaios uniaxiais seguem diversas normas, tais como a EN ISO 6892-1 que especifica os procedimentos normativos da realização do ensaio e a EN 10025-1 - Anexo A, que visa objetivar os esquemas e as dimensões de corte para a maquinação de provetes [32]. Ao efetuar o ensaio de tração obtém-se um diagrama tensão-extensão, como o ilustrado esquematicamente na Figura 2.22, sendo que para um aço macio geralmente o diagrama apresenta-se bem definido.

1800 1850 1900 1950 2000 Ferro fundido Ferro pudelado Bessemer Thomas-Gilchrist Martin-Siemens

Com base na curva tensão-extensão é possível obter as principais propriedades mecânicas do aço: tensão de cedência - 𝑓𝑦 (limite superior 𝑅𝑒𝐻 ou limite inferior 𝑅𝑒𝐿), a tensão última - 𝑓𝑢,

correspondendo a 𝑅𝑚, a extensão na força máxima 𝐴𝑔𝑡, a extensão após rotura A e o módulo

de elasticidade 𝐸 representado pelo declive da reta inicial do diagrama [32].

Analisando o diagrama verifica-se que até se atingir a tensão de cedência no provete (ponto (1)) a tensão/extensão é linear, ou seja, o regime designa-se por elástico linear. Após a cedência do aço observa-se que é possível aumentar as extensões sem que seja necessário aumentar a tensão aplicada, este patamar, entre o ponto (1) e o ponto (2) designa-se por patamar de cedência. É necessário a partir desta fase aumentar as tensões aplicadas para continuar a aumentar as extensões, esta fase entre os pontos (2) e (3) denomina-se por endurecimento, sendo que em (3) o provete atinge a tensão última. Por último ocorre o fenómeno de estricção entre os pontos (3) e (4), seguido da rotura do provete.

Este tipo de material apresenta duas características que importa realçar, a primeira diz respeito ao facto de após atingir a tensão de cedência o aço poder sofrer grandes deformações sem perder a sua capacidade de carga, característica esta de um material dúctil. A segunda característica referente ao diagrama descrito anteriormente, revela que se se interromper o carregamento do provete, antes do aço atingir a tensão de cedência, o diagrama de descarga segue exatamente o mesmo trajeto do carregamento, caso a descarga apenas se inicie após a cedência, esta segue uma reta paralela à reta inicial (Figura 2.22), havendo uma recuperação total do material.

Indica-se na Tabela 2.1 os valores nominais da tensão de cedência 𝑓𝑦 e da tensão última 𝑓𝑢,

tomados como valores característicos, para os aços frequentemente utilizados em estruturas metálicas.

Figura 2.22 - Representação esquemática da curva tensão-extensão de um aço macio (adaptado de [32])

(4) (3) (2) (1) Extensão Tensão

Os vários tipos de aço dividem-se em classes de resistência (S235, S275, S355 e 450) e classes de qualidade (JR, J0, J2 e K2). Os materiais que estejam em conformidade com as classes definidas na Tabela 2.1 assumem-se como dúcteis. Segundo a NP EN 1993-1-1 a ductilidade dos aços é verificada através dos seguintes requisitos:

a) 𝑓𝑢/𝑓𝑦≥ 1,10, sendo 𝑓𝑦 a tensão de cedência e 𝑓𝑢 a tensão última;

b) Extensão após rotura de um provete com um comprimento inicial 5,65√𝐴0 (sendo 𝐴0 a

área da secção transversal) não inferior a 15%;

c) 𝜀𝑢≥ 15𝜀𝑦, sendo 𝜀𝑦 a extensão de cedência e 𝜀𝑢 a extensão última, correspondente à

tensão última.

São descritas ainda na Tabela 2.2 algumas propriedades complementares para este tipo de material, sendo consideradas comuns a todos os tipos de aço estrutural corrente.

Propriedades dos aços macios Valor Módulo de elasticidade (𝐸) 210 GPa Módulo de distorção (𝐺 = 𝐸

2(1+𝜐)) 81000 MPa

Coeficiente de Poisson (𝜐) 0,3

Coeficiente de dilatação térmica linear (𝛼) 12×10-6_{/ºC(Até 100º C)}

Massa volúmica (𝜌) 77 a 78,5 kN/m3

Tabela 2.1 - Valores nominais de tensão de cedência 𝑓𝑦 e da tensão última à tração 𝑓𝑢 dos aços macios

correntes segundo a EN 10025-2 (adaptado de [32])