23 abr 2019

RESISTÊNCIA À FADIGA DE VARÕES: INFLUÊNCIA DO DIÂMETRO E PROCESSO DE FABRICO

Categoria Estruturas
  • RESISTÊNCIA À FADIGA DE VARÕES: INFLUÊNCIA DO DIÂMETRO E PROCESSO DE FABRICO
Com o advento da revolução industrial, impulsionou-se a construção de estruturas civis como pontes metálicas e pontes em betão armado. Tais estruturas, com a passagem dos veículos, sofrem uma variação cíclica de tensões que se vão acumulando durante o tempo e a isso damos o nome de fadiga.
 
Os varões estruturais presentes nos tabuleiros das pontes de betão armado tendem a ser os elementos mais solicitados por fadiga. A sua resistência à fadiga é determinada através de ensaios laboratoriais, dos quais são obtidas as curvas de Wöhler, ou curvas S-N (Stress - Number of Cycles). Estas curvas relacionam a variação de tensão suportada por um determinado número de ciclos, sendo um ciclo de fadiga determinado pelo tempo de aplicação de uma tensão inicial no varão, a mudança de tensão e finalmente, o retorno à tensão inicialmente aplicada.
 
Segundo Macgregor, Jhamb e Nuttal (1971), Zheng e Abel (1999) e Rocha, Bruehwiler e Nussbaumer (2015), a resistência à fadiga dos varões pode ser influenciada por fatores como a magnitude da variação das tensões, o diâmetro, o tipo de processo de fabricação, as imperfeições e a geometria da superfície como a rugosidade, as nervuras e as marcas dos fabricantes.
 
Em relação especificamente ao diâmetro, é possível observar que o aumento do diâmetro do varão incrementa a diminuição da resistência à fadiga, conforme se pode observar na Figura 1. Este comportamento é o esperado e pode ser explicado pela maior probabilidade em encontrar maior quantidade de imperfeições, fendas superficiais, zonas de concentração de tensão, quantidade de grãos maiores, inclusões e poros em varões com diâmetros maiores. A fenda por fadiga em materiais metálicos tende a iniciar-se em grãos maiores, cuja orientação favoreça a sua criação ou propagação. Este efeito é conhecido como efeito escala ou efeito do tamanho.
 
O intervalo de diâmetros considerado na construção da curva S-N evidente na Figura 1, é baseado no modelo Model Code 2010, considerado pela FIB (Fédération Internationale du Béton).
 

Figura 1: Curvas S-N para varões de diâmetros menor ou igual a 16 mm e maior que 16 mm

Fonte: Hanson, Burton e Hognestad (1968), Narayanaswamy et. al. (1977), Salah el Din e Lovegrove (1982), Tilly (1984), Abel (1986), Matsumoto (1988) e Zheng (1999).

Um parâmetro que não é especificado no Model Code 2010, é a resistência à fadiga de acordo com seu processo de fabrico/tratamento. No entanto, existem 3 principais processos associados ao fabrico/tratamento dos aços: a laminagem a quente, o endurecimento a frio e a têmpera e o revenimento. O processo de fabrico influencia a microestrutura do varão, pelo que nos dois primeiros, é formada uma composição de ferrite e perlite, já no último, além desta composição, é formada também, uma camada superficial de martensite. A Figura 2 mostra essas zonas do varão, assim como a zona de transição entre as microestruturas.

Figura 2: (a) Seção transversal de um varão obtido pelo processo de temperamento e revestimento,(b) Microestrutura da martensite temperada - TM, (c) Zona de transição entre martensite e ferrite com perlite - TZ,(d) Microestrutura de ferrite com Perlite- FP.


  (a)                                        (b)


(c)                                              (d)
Fonte: Rocha, Bruehwiler e Nussbaumer (2016)

Ao comparar as resistências à fadiga obtidas nos diferentes processos de fabrico, conforme as Figuras 3 e 4, verifica-se que os varões temperados e revenidos tendem, nos intervalos de diâmetro apresentados, a ter uma maior resistência à fadiga que os varões laminados e endurecidos a frio. Esta constatação é justificada pelo facto da microestrutura formada ser a martensite, que tende a melhorar as propriedades mecânicas do aço.

Figura 3: Curvas S-N para varões laminados a quente, endurecidos a frio e temperados e revenidos para diâmetro ≤16 mm.

Fonte: Salah el Din e Lovegrove (1982), Tilly (1984), Abel (1986), Matsumoto (1988) e Zheng (1999)

Figura 4: Curvas S-N para varões laminados a quente, endurecidos a frio e temperados e revestidos para diâmetro >16 mm.


Fonte: Hanson, Burton e Hognestad (1968), Narayanaswamy et al. (1977), Salah el Din e Lovegrove (1982), Tilly (1984), Abel (1986) e Zheng (1999).

Face ao exposto, as considerações de fadiga são muito importantes para os projetos de estabilidade. No entanto em muitos países, como por exemplo no Brasil, as empresas fabricantes de aço não realizam testes de fadiga a fim de verificar a resistência dos seus varões para este fenómeno.

Na Central Projectos estamos atentos a estes pequenos, mas importantes conceitos estruturais que garantem a assertividade e qualidade dos nossos projetos, integrando uma equipa técnica capacitada para realização dos mesmos.

A. Galvão

 

Fontes:

Abel, A. Donnell, M J. e Spencer, W. Fatigue of TEMPCORE reinforcing bars - the effect of galvanizing. 10th Australasian conf. on. Mech. Of struct. and mat. University of Adelaide. Australia, 327-332, 1986.
FIB - Fédération Internationale du Béton. MODEL CODE 2010: Final Draft. Model Code Prepared by Special Activity Group 5. Lausanne, 2011.
HANSON, J. M.; BURTON, K.t.; HOGNESTAD, E.. Fatigue tests of reinforcing bars - Effect of deformation pattern. Journal of the Pca Research and Development Laboratories. Illinois, p. 1-13. set. 1968.
MACGREGOR, James; JHAMB, I.c.; NUTTAL, N.. Fatigue strength of hot rolled deformed reinforcing bars. Aci. Edmonton, p. 169-179. mar. 1971.
NARAYANASWAMY, V. P. et al. Experimental investigations on the fatigue behaviour of cold worked deformed bars. Materiaux Et Constructions, India, v. 10, n. 57, p.153-158, jan. 1977.
ROCHA, Marina; BRUEHWILER, Eugen; NUSSBAUMER, Alain. Microstructural influence on the scatter in the fatigue life of steel reinforcement bars. International Journal Of Fatigue. Oxford, p. 205-2012. jan. 2015.
ROCHA, Marina; BRÜHWILER, Eugen; NUSSBAUMER, Alain. Geometrical and Material Characterization of Quenched and Self-Tempered Steel Reinforcement Bar. Journal of Materials in Civil Engineering. Lausanne, p. 1-12. jun. 2016.
SALAH EL DIN, A.S.; LOVEGROVE, J.M.. Fatigue of Cold worked ribbed reinforcing bar - a fracture mechanics approach. Int. J. Fatigue. Inglaterra, Jan. 1982. p. 15-26.
TILLY, G. P.. Fatigue testing and performance of steel reinforcement bars. Matériaux Et Constructions, [s.l.], v. 17, n. 1, p.43-49, Jan. 1984. Springer Nature. http://dx.doi.org/10.1007/bf02474055.

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