Por Jeffrey A. Packer
Bahen/Tanenbaum Professor de Engenharia Civil, Universidade de Toronto, Ontário, Canadá
A selecção do aço para a tenacidade do entalhe é crítica para aplicações de serviço a baixa temperatura ou carga dinâmica, devido à possibilidade de fractura frágil de um componente. Para a avaliação da tenacidade do material, os padrões internacionais geralmente requerem testes de impacto Charpy V-notch (CVN) do produto de aço. Um nível de tenacidade exigido é normalmente expresso para uma temperatura de teste específica (que pode ser diferente da temperatura de serviço mais baixa prevista), na qual um valor mínimo de energia de impacto CVN (KVmin), deve ser alcançado. A relação aproximada entre a curva energia-temperatura CVN e o comportamento de fratura de um componente de aço é ilustrada na Figura 1.
A tenacidade do SSH conformado a frio depende não apenas da tenacidade do material da bobina utilizado na fabricação do SSH, mas também do grau de conformação a frio introduzido na seção transversal durante a produção. Como ilustrado na Figura 2, a conformação a frio diminui a tenacidade do material. Em geral, a geometria da seção transversal do produto de SSH é um bom indicador do grau de conformação a frio contido na seção. Para secções ocas circulares (CHS), o nível de tenacidade ao redor da secção transversal é consistente, uma vez que o material da bobina é curvado a frio para a mesma curvatura em todos os locais. Por outro lado, para Perfis Ocos Retangulares (RHS), a tenacidade na região dos cantos pode ser significativamente inferior à da face plana devido a graus irregulares de conformação a frio, dependendo se o RHS foi fabricado usando o método de “conformação direta” ou “conformação contínua”. Uma comparação entre as propriedades dos materiais de conformação direta e contínua RHS pode ser encontrada em Sun and Packer (2014a e 2014b).
O principal padrão americano para SSH conformado a frio, ASTM A500 (2013a), não tem nenhuma exigência de resistência ao entalhe. Assim, é necessário especificar o teste CVN do produto A500 HSS antes de usá-lo para serviço a baixa temperatura ou aplicações de carga dinâmica.
Para oferecer HSS conformado a frio adequado para estruturas carregadas dinamicamente, a ASTM A1085-13 (2013b) foi desenvolvida recentemente. Isto especifica que, para o produto de SSH fabricado de acordo com esta norma, sua tenacidade deve ser acessada através de testes de amostras CVN tomadas no sentido longitudinal (longe da solda da costura) do tubo. Os valores médios de impacto CVN das amostras de teste devem estar em conformidade com a exigência mínima de 25 pés-lb a 40 °F, com base em amostras de teste de tamanho normal (10×10 mm com um entalhe de 2 mm de profundidade). Tal nível de tenacidade CVN (no local de teste) é adequado para aplicação de carga dinâmica para a faixa de temperatura de serviço “Zona 2” (0 °F a -30 °F), conforme a especificação de projeto da ponte AASHTO (2007). Entretanto, deve-se observar que, para o RHS, a ASTM A1085-13 (2013b) especifica que os corpos de prova CVN devem ser retirados da face plana do tubo. Ao contrário do CHS, o nível de resistência ao redor da seção transversal do RHS é inconsistente devido a quantidades não-uniformes de conformação a frio. Assim, os valores de impacto CVN dos corpos de prova retirados da face plana não representam necessariamente a propriedade de tenacidade de toda a secção transversal do RHS.
Envestigações extensivas foram conduzidas sobre o efeito da conformação a frio na tenacidade do SSH europeu, que formaram as regras actuais para a selecção do SSH europeu para a tenacidade total do entalhe (Feldmann et al., 2012). Um levantamento destas investigações pode ser encontrado em Sun e Packer (2014b). Entretanto, como esses testes foram realizados principalmente com SSH feito de aço EN 10219 S355J2H, as regras em (Feldmann et al., 2012) referem-se apenas a esse tipo de material (ou seja, não são necessariamente aplicáveis ao SSH produzido na América do Norte).
Investigações semelhantes sobre SSH norte-americano foram limitadas até recentemente. Baseado em extensos testes CVN sobre SSH com diferentes geometrias transversais e produzidos por diferentes métodos na Universidade de Toronto (Kosteski et al., 2005; Sun and Packer, 2014b), concluiu-se que:
(1) Ao selecionar RHS para a dureza de entalhe, deve-se considerar seriamente a deterioração da dureza CVN da face plana para o canto (ou seja, o ponto fraco) de tal forma que toda a seção transversal seja “adequada à finalidade”. Isto pode ser feito especificando o canto como um local de medição alternativo, ou considerando a deterioração da face plana até o canto se a tenacidade CVN foi medida no local padrão (face plana). Resultados experimentais (ver Figura 3) mostraram que geralmente há grandes mudanças de temperatura (ΔTcf) entre as curvas de energia-temperatura CVN da face plana e o canto do RHS testado. Tais mudanças de temperatura podem ser de até 72 °F, dependendo da geometria da secção transversal e do método de conformação a frio da RHS. Assim, para ser conservador, uma mudança de temperatura de 72 °F pode ser implementada por um projetista ao especificar a dureza CVN da face plana, se um certo nível de dureza for necessário para ser alcançado no canto. Por exemplo, uma especificação de 25 pés-lb a -32 °F na face plana de um RHS asseguraria uma classificação CVN de 25 pés-lb a 40 °F na região do canto, conforme a ASTM A1085-13.
(2) Para CHS, uma vez que o nível de tenacidade é consistente ao redor da seção transversal, o método da ASTM A1085-13 pode ser aplicado diretamente.
(3) Para HSS com espessura de parede inferior a 11 mm, a ASTM A370 (2009) especifica o uso de amostras CVN sub-dimensionadas. Devido ao fato de que a largura do corpo de prova subdimensionado é reduzida, ele tem que ser entalhado no lado estreito (ou seja, o corpo de prova tem um entalhe através da espessura da parede de SSH) a fim de ter área transversal suficiente para testes de impacto (ASTM 2009). Por outro lado, para o SSH de parede espessa onde são possíveis amostras CVN de tamanho completo, a ASTM A370 permite que o entalhe esteja na superfície do SSH ou através da espessura da parede de SSH. Entretanto, de acordo com evidências experimentais (Sun e Packer 2014b), a última orientação do entalhe geralmente produz uma leitura de menor dureza CVN. Portanto, recomenda-se que, para o SSH de parede espessa, amostras de NVC de tamanho completo sejam usinadas com um entalhe de espessura total para produzir resultados de teste conservadores.
AASHTO. 2007. “AASHTO LRFD Bridge Design Specifications”, 4ª. edição. American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, DC.
ASTM. 2009. “Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products”, ASTM A370-09a. American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA.
ASTM. 2013a. “Standard Specification for Cold-Formed Welded and Seamless Carbon Steel Structural Tubing in Rounds and Shapes”, ASTM A500/A500M-13. American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA.
ASTM. 2013b. “Standard Specification for Cold-formed Welded Carbon Steel Hollow Structural Sections (HSS)”, ASTM A1085-13. American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA.
Feldmann, M., Eichler, B., Kühn, B., Stranghöner, N., Dahl, W., Langenberg, P., Kouhi, J., Pope, R., Sedlacek, G., Ritakallio, P., Iglesias, G., Puthli, R.S., Packer, J.A. e Krampen, J. 2012. “Escolha de Material de Aço para Evitar Fracturas Breves para Estruturas de Secção Oca”. Relatório Científico e Político nº 72702 do CCI, Centro Comum de Investigação da Comissão Europeia, Luxemburgo.
p>Kosteski, N., Packer, J.A. e Puthli, R.S. 2005. “Notch Toughness of Internationally Produced Hollow Structural Sections”, Journal of Structural Engineering, American Society of Civil Engineers, Vol. 131, No. 2, pp. 279-286.
Sedlacek, G.., Feldmann, M., Kühn, B., Tschickardt, D., Höhler, S., Müller, C., Hensen, W., Stranghöner, N., Dahl, W., Langenberg, P., Münstermann, S., Brozetti, J., Raoul, J., Pope, R. e Bijlaard, F. 2008. “Commentary and Worked Examples to EN 1993-1-10 ‘Material Toughness and Through Thickness Properties’ and other Toughness Oriented Rules in EN 1993”. Relatório Científico e Político n.º 47278 do CCI, Centro Comum de Investigação da Comissão Europeia, Luxemburgo.
p>Sun, M. e Packer, J.A. 2014a. “Direct-Formed-Formed Rectangular-Formed Rectangular-Formed Sections – Comparison of Static Properties”. Journal of Constructional Steel Research, Vol. 92, pp. 67-78.
Sun, M. e Packer, J.A. 2014b. “Charpy V-Notch Impact Toughness of Fold-Formed Rectangular Hollow Sections”. Journal of Constructional Steel Research, Vol. 97, pp. 114-126.
October 2014
Download PDF