Sistemas estruturais em Aço MÓDULO. Características do Aço na Construção Civil

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1 Sistemas estruturais em Aço MÓDULO Características do Aço na Construção Civil 21

2 Módulo 2 Índice - Módulo 2 5. O material Aço Composição do Aço A produção do Aço Os tipos de aços mais comuns na construção civil 6. O uso do aço Vantagens e Desvantagens do uso do Aço em Estruturas A altura das Vigas O Modelo teórico e o comportamento real A questão do custo inicial A questão da corrosão As propriedades dos materiais A clareza da concepção estrutural Estrutura metálica: um sistema pré-fabricado Dimensões das peças em uma estrutura em aço A reciclagem Reformas, ampliações e novos usos 2

3 Sistemas Estruturais em Aço Parte 1 - Características do Aço na Construção Civil 5. O material Aço Composição do Aço O aço é uma liga metálica constituída fundamentalmente de ferro e carbono. Além desses dois elementos, dependendo do tipo de aço que se quer obter, são encontrados outros elementos tais como: manganês, silício, fósforo, enxofre, alumínio, cobre, níquel, nióbio, entre outros, que modificam as propriedades físicas da liga, tais como resistência mecânica, resistência a corrosão, ductilidade e muitas outras. Alguns dos elementos que fazem parte da matéria prima utilizada permanecem na liga e sua retirada é economicamente inviável. São as denominadas impurezas, cujas quantidades não chegam a afetar o desempenho do material. Abaixo é mostrado o exemplo de uma liga: AÇO = Fe + C + Si + Mn + P + S (...) C 0,22 % P < 0,045 % S < 0,055 % 0,4 % < Mn < 0,6 % onde: Fe = ferro C = carbono Si = silício Mn = manganês P = fósforo S = enxofre. Para a obtenção de aços mais resistentes à corrosão são adicionadas quantidades determinadas de cobre; para aços inoxidáveis, é adicionado cromo; para aços resistentes a ácidos, níquel, e assim por diante. 3

4 Módulo 2 A quantidade de carbono é de suma importância nas características mais importantes do aço. Aços com porcentagem maior de carbono são mais resistentes, mas, em compensação, tornam-se pouco dúcteis e bastante quebradiços. Com menos carbono sua resistência cai, mas aumenta a ductilidade. A ductilidade é uma das características mais importantes dos materiais estruturais. Os materiais com boa ductilidade possibilitam a visualização de grandes deformações em peças estruturais submetidas a tensões muito elevadas, servindo então, como aviso de que a ruptura pode acontecer ou ainda, permitindo a redistribuição de esforços para elementos menos solicitados. Para saber mais sobre aços carbono: A produção do Aço Como foi visto, as matérias primas básicas para a produção do aço são: minério de ferro e carvão coque. A essas são adicionados o calcário, com função específica de retirar impurezas. Antes do início da produção do aço, o carvão mineral é queimado na coqueria e transformado em blocos de aproximadamente mesmas dimensões, denominados coque ou carvão coque. Como o ferro é raramente encontrado puro na natureza, usa-se o seu minério. Para transformar o minério em ferro é necessário a sua queima. Para isso, quantidades pré-definidas de minério, coque e calcário são colocadas na parte superior de um forno especial denominado alto-forno. Na presença de calor esses materiais são fundidos, produzindo ferro e impurezas. O coque, em presença de um ar superaquecido introduzido sob pressão na parte inferior do forno, queima e forma um gás que remove os óxidos do minério de ferro. O calor da combustão liquefaz o calcário, o qual, combinandose com as impurezas do minério de ferro, forma a escória, ao mesmo tempo em que funde o ferro contido no minério. A carga no forno torna-se progressivamente viscosa e líquida. A escória, por ser mais leve, flutua sobre o ferro em fusão, chamado nesse estágio de gusa. Os dois componentes são separados, a escória é destinada à produção de cimento e o ferro gusa é despejado, ainda líquido, em um recipiente denominado Carro-Torpedo. O ferro gusa possui alta porcentagem de carbono (3,5% a 4%), absorvido do coque, e não tem aplicação estrutural. Para transformar o gusa em aço é necessário reduzir a quantidade de carbono. Para isso o ferro gusa é misturado com aparas de aço (sucata) e calcário, e conduzido a um forno em forma de barril, denominado conversor. Alto forno ArcelorMittal CST ES Oxigênio de alta pureza é introduzido no topo do forno a velocidade supersônica, num fluxo com duração aproximada de 20 minutos. Durante esse processo, temperaturas muito altas são atingidas, quando então, é queimado o excesso de carbono e eliminadas as impurezas não absorvidas pelo calcário fundido. 4

5 Sistemas Estruturais em Aço Finalmente o aço é despejado em moldes denominados lingoteiras, resultando em blocos de aço chamados lingotes ou tarugos. A partir daí, o aço passa pelo processo de laminação a quente onde é transformado em perfis ou chapas. Antes da laminação, o lingote passa pelo forno poço, onde sofre novo aquecimento para facilitar o processo. Veja o Ciclo completo de produção no link, disponível no ambiente do curso. Os tipos de aço mais comuns na construção civil No Brasil são fabricados vários tipos de aço para fins estruturais, que podem ser conhecidos através de consulta à Norma Brasileira NBR Entre eles, apresentamos a seguir, os aços mais comumente utilizados: Tipo de Aço ASTM A-36 - também conhecido como aço comum ASTM A-500 GA (grau A) Usos mais comuns perfis laminados, perfis de chapa dobrada e de chapas soldadas. fabricação de tubos ASTM A G33 (grau 33) fabricação de perfis de chapa dobrada finos. ASTM A-577 fabricação de perfis laminados e soldados SAE 1020 chapas planas, perfis de chapa dobrada e barras redondas. Panela da aciaria derrama gusa e sucata no conversor Lingotamento contínuo Aços patináveis ou de maior resistência à corrosão São ainda fabricados chapas planas de aços especiais resistentes a corrosão, tais como o CSN COR (CSN), o USI - SAC 300 e USI - SAC 350 (Usiminas), COS AR COR (COSIPA) e CST COR, (CST), entre outros. Mais adiante abordaremos este tipo de aço. Para saber mais sobre aços patináveis: acos_estruturais.asp Os aços ainda recebem denominações adicionais como grau, que identifica a composição química e classe, que o qualifica quanto a resistência mecânica e acabamento superficial. Laminador de tiras a quente Para saber mais sobre a história da evolução do uso do aço e seu processo de fabricação acesse o link, no ambiente do curso: Módulo 1 - apostila do Curso de Introdução ao Uso do Aço na Construção - CBCA. 5

6 Módulo 2 Parte 2 6. O uso do Aço Vídeo - As Vantagens do Aço Vantagens e Desvantagens do uso do Aço em Estruturas A escolha do aço como material estrutural deve ser embasada em critérios que mostrem ser ele o material mais indicado para determinada situação. É bom lembrar que optar pelo aço apenas por simpatia ou até por curiosidade pelo material pode levar a soluções muito desvantajosas e que podem criar uma visão desfavorável do material. Para ajudar a embasar adequadamente a escolha pelo aço é que são mostradas a seguir as vantagens e também as desvantagens, procurando-se ser o mais isento. Vantagens Grande resistência a esforços. Talvez seja essa, em princípio a maior vantagem. No entanto, como será visto mais adiante, essa vantagem pode em determinadas situações ser desfavorável. Para uma melhor visão do quanto o aço é resistente, veja-se a comparação com outros materiais convencionais: Tensão admissível à compressão σ aço σ concreto σ madeira Tensão admissível à tração σ aço σ concreto σ madeira 1500 kg/cm² 100 kg/cm² 80 kg/cm² 1500 kg/cm² 10 kg/cm² 90 kg/cm² 6

7 Sistemas Estruturais em Aço Vê-se pelos valores acima que o aço além de ser o mais resistente apresenta uma característica muito interessante para as estruturas: resistências iguais a tração e compressão. Como conseqüência de sua maior resistência o aço permite peças estruturais com menores dimensões. A figura a seguir mostra a comparação entre as dimensões finais entre uma estrutura convencional de viga em concreto armado e uma estrutura com viga de aço. Aço X concreto Vigas A figura seguinte mostra o mesmo comparativo ente pilares de concreto e pilares de aço. Aço X concreto Pilar 7

8 Módulo 2 A altura das Vigas Pode-se se ver que as vigas metálicas apresentam uma altura da ordem de 60% das vigas em concreto. Isso proporciona outras grandes vantagens para o projeto, tais como menor pé direito, logo menor área de acabamento. Além disso, a altura final do edifício resulta menor. Um edifício em estrutura mista de 20 andares chega a ter altura equivalente a um edifício de 19 andares em estrutura de concreto, o que pode, em determinadas situações, viabilizar um edifício em termos do gabarito permitido. Em conseqüência da menor dimensão dos elementos da estrutura, obtém-se menor peso próprio da estrutura, resultando em menor carga na fundação. O peso próprio da estrutura Grosso modo, uma estrutura de aço pesa 6 vezes menos que uma estrutura equivalente em concreto armado. A estrutura em aço, sendo bem mais leve, possibilita fundações mais econômicas ou adaptáveis a regiões em que o solo exija soluções mais complexas. O Modelo teórico e o comportamento real A solução estrutural em aço apresenta um resultado muito próximo entre o modelo teórico e o comportamento real. Um vínculo em aço, como por exemplo a ligação entre uma viga e um pilar, se adotado como articulado, poderá ser executado perfeitamente articulado com relativa facilidade. No concreto armado moldado in-loco, muitas vezes adota-se no modelo teórico um vínculo articulado que quando da execução afasta-se muito desta situação teórica, o que pode acarretar problemas de ordem econômica ou de comportamento estrutural inadequado. A questão do custo inicial Ao se optar pelo uso do aço nas estruturas, deve-se levar em conta a questão de custo. Em algumas situações o custo inicial da estrutura em aço pode ser bem mais elevado do que em concreto armado. Isso geralmente ocorre quando o projeto arquitetônico obriga o uso de vãos muito díspares. Sendo a estrutura metálica um processo industrializado, o uso de medidas extremamente variáveis, vai acarretar perfis muito diferentes, de tamanhos muito diferentes, resultando em grandes perdas, o que sem dúvida tende a deixar a estrutura de aço mais cara. Um projeto bem modulado proporciona soluções muito mais econômicas e vantajosas, quando comparadas às estruturas de concreto armado. Deve-se lembrar, ainda, que o custo da estrutura é apenas um dos componentes do custo final da edificação. Mesmo apresentando um custo inicial um pouco maior que a estrutura de concreto, até 30 %, pode-se optar com tranqüilidade por uma estrutura de aço, já que as vantagens de sua incidência em outros elementos da construção, tais como fundações mais leves, menores perdas nos acabamentos, maior rapidez de execução, entre outras, podem fazer com que na pior das hipóteses o custo final da obra seja igual àquele de uma estrutura de concreto armado. 8

9 Sistemas Estruturais em Aço A questão da corrosão Um outro aspecto que pode ser levantado como negativo para uso do aço é a possibilidade de sua deterioração em contato com o meio ambiente. O aço enferruja. A ferrugem, ou oxidação (Fe + O), constitui uma camada protetora, mas facilmente removível, gerando, portanto, o processo de corrosão do material, ou seja, diminuição na espessura do elemento estrutural. A corrosão chega a consumir camadas que variam entre 9 μm por ano em ambientes menos agressivos e mais secos, como Brasília, e 170μm por ano em ambientes úmidos e marinhos, como Praia Grande, em São Paulo. Para minimizar o problema são fabricados aços especiais, que, com adição de cobre, cromo ou níquel em sua liga, apresentam uma camada de oxidação irremovível denominada pátina. A pátina aumenta em muito a resistência do aço à corrosão. (Gráfico: Construção em Aço) Teremos, mais adiante neste curso, um módulo dedicado exclusivamente a este assunto, onde iremos conhecer as formas adequadas de proteção à corrosão. As propriedades dos materiais O concreto, pela maneira com que é produzido: uma mistura quase que aleatória de cimento, areia, pedra e água, não permite acreditar numa resposta precisa quanto as suas propriedades; o aço que, por sua vez, é obtido industrialmente, com alto controle de qualidade, resulta em um material mais confiável quanto as suas propriedades, podendo ser aplicado com coeficientes de segurança mais baixos, o que obviamente resulta em possibilidade de economia. (Gráfico: Construção Convencional) A clareza da concepção estrutural A concepção de uma estrutura metálica é revelada, claramente depois de executada e pode ser facilmente entendida. O mesmo nem sempre ocorre em estruturas de concreto armado. Uma ligação entre uma viga e um pilar em concreto armado moldado in loco nunca é visível, logo uma análise visual não permite concluir se a ligação foi concebida como articulada ou rígida. Estrutura metálica: um sistema pré-fabricado A estrutura metálica é um sistema pré-fabricado; no canteiro ocorre apenas sua montagem, permitindo ser executada em lugares exíguos, necessitando, em algumas ocasiões, de espaço para locomoção de gruas ou guindastes e pequeno depósito. O canteiro de obra torna-se mais racional e pode ter dimensões reduzidas. A questão da dimensão ou até mesmo da topografia desfavorável do canteiro de obra pode ser um fator decisivo para a opção pela estrutura metálica. A estrutura metálica, por ser uma estrutura pré-fabricada, com componentes industrializados, pode ser fabricada e montada muito rapidamente. Uma estrutura em aço consome aproximadamente 60% do tempo necessário para 9

10 Módulo 2 a execução de uma estrutura equivalente em concreto armado. Não necessita de tempo de cura, e diversas atividades de construção, tais como fundação, podem ser executadas simultaneamente à fabricação da estrutura. Dimensões precisas das peças em uma estrutura de aço. Devido ao sistema de industrialização, as dimensões das peças em uma estrutura em aço são muito precisas e podem ser expressas em milímetros. Erros de até 1cm são plenamente aceitáveis em estruturas de concreto armado, mas não em estruturas de aço, onde as tolerâncias são de apenas 5 mm. Devido à precisão os elementos estruturais podem ser perfeitamente alinhados, nivelados e aprumados. As estruturas metálicas são tão precisas que podem servir de gabarito para a execução de demais componentes da edificação, tais como vedações e acabamentos, o que pode levar a uma economia de até 5% na aplicação desses materiais. A reciclagem Sabe-se que hoje o processo de urbanização é muito rápido, edifícios mudam de uso, ou são demolidos para dar lugar a outras edificações. Com ligações parafusadas, as estruturas em aço podem ser facilmente desmontadas, podendo ser reutilizadas em outros lugares ou reaproveitadas na execução de novas edificações. Ainda que seus elementos não sejam reutilizados, o material, como sucata, pode ser reaproveitado na fabricação de novos produtos de aço, devido à infinita possibilidade de reciclagem que o aço possui. Reformas, ampliações e novos usos Pela mesma razão vista no item anterior, muitas edificações podem ter seu uso alterado, ao serem solicitadas por cargas maiores, ou mesmo pela exigência de uma nova composição estrutural, o que pode resultar na necessidade de um reforço estrutural. Através de soldagem de chapas ou perfis a vigas e pilares existentes, é possível reforçá-las com facilidade, permitindo um aumento nos vãos e nas cargas. Este aspecto também se torna de suma importância na recuperação de estruturas que foram sujeitas a sinistros. 10