Aços estruturais e materiais de ligação

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1 Aços estruturais e materiais de ligação Introdução O aço é um material de construção utilizado em diversas estruturas fixas, como as edificações, e em estruturas móveis, como máquinas e equipamentos. Para esses casos, destacam-se os aços estruturais, que possuem características como alta resistência, ductilidade, soldabilidade etc, proporcionando aos arquitetos, engenheiros e projetistas o desenvolvimento de estruturas com diversas formas geométricas, capazes de suportar grandes solicitações de carregamentos. Apesar das conhecidas vantagens das estruturas metálicas, elas também possuem características com as quais devem-se ter cuidado. Sabia que por ser consideravelmente mais leves que estruturas de concreto, as estruturas metálicas podem levantar vôo? Isto é causado por efeito de sucção e acontece muitas vezes em situações de tempestades de vento. Aqui iremos começar a entender o aço estrutural e você irá começar a se preparar para os temas mais específicos que tratam do dimensionamento de estruturas metálicas. Ao final desta aula, você será capaz de: identificar os aços estruturais, mostrando os conceitos e características mecânicas. Aços estruturais Aços são materiais metálicos compostos basicamente de ferro e carbono, podendo ter elementos de liga adicionados propositadamente ou residuais, decorrentes do processo de sua produção. Depois do ferro, o carbono é o elemento mais importante, pois exerce o maior efeito nas propriedades do aço, como resistência mecânica e ductibilidade. O teor de carbono situa-se entre 0,008 e 2,000 %. Segundo Bellei (2004), os aços utilizados em estruturas são divididos em dois grupos: aços carbono e aços de baixa liga. Os aços carbono são os mais usuais, nos quais o aumento de resistência é produzido pelo carbono e, em menor escala, pela adição de manganês. O aumento do teor de carbono eleva a resistência e a dureza, porém reduz a ductibilidade, resultando em aço mais quebradiço. A soldabilidade também reduz com o aumento do carbono. Em estruturas usuais, utiliza-se aços com teor de carbono equivalente máximo de 0,45%. O aço ASTM A36 é um dos aços carbono mais usados em estruturas. Os aços de baixa liga são os aços carbono acrescido de elementos de liga em pequena quantidade, tais como: nióbio, cobre, manganês, silício etc. Esses elementos de liga permitem obter resistência elevada e boa soldabilidade, com um teor de carbono da ordem de 0,2%. O aço ASTM A572 é um dos aços de baixa liga e elevada resistência mecânica muito utilizado em estruturas. Segundo Bellei (2004), os aços de baixa liga podem ter alta resistência mecânica e alta resistência à corrosão atmosférica se alterarmos sua composição química e adicionarmos alguns componentes como vanádio, cromo, cobre, níquel e alumínio. Esses aços são conhecidos como aços patináveis. O aço ASTM A588 é um dos aços de baixa liga, alta resistência mecânica e resistente à corrosão, utilizado em estruturas

2 Os aços estruturais possuem características que os qualificam como material apropriado para aplicação em construção de estruturas metálicas. A utilização desses aços possui muitas vantagens, mas alguns cuidados devem ser tomados e observados. SAIBA MAIS O Centro Brasileiro da Construção em Aço (CBCA) disponibiliza em seu site várias publicações de artigos, manuais e revistas sobre construções em estruturas metálicas. Conheça mais sobre os aços estruturais em: < A seguir, são mostradas algumas vantagens e desvantagens da utilização do aço estrutural. Vantagens A maior parte da fabricação das estruturas é feita em ambiente industrial, possibilitando alto controle de qualidade dos produtos acabados e garantindo precisão milimétrica. Segundo Pinheiro (2005), a aplicação do aço estrutural possibilita execução de obras mais rápidas e limpas, garantindo dimensões e propriedades dos materiais. Em caso de necessidade, pode-se desmontar as estruturas e montá-las, posteriormente, em outro local. Possibilita também o reaproveitamento dos materiais em estoque, ou mesmo, sobras de obra. Devido à alta resistência mecânica do aço estrutural, sua aplicação possibilita a execução de estruturas para vencer grandes vãos relativamente leves, comparadas com outros materiais de construção como o concreto. Isso propicia execução de fundações menores. Como os aços possuem alta resistência mecânica e tenacidade, são materiais resistentes à vibração e a choques. Desvantagens A produção das peças metálicas possui processos de corte, furação, soldagem e dobramento que necessitam de equipamentos especiais, exigindo a execução em fábrica. As peças necessitam ser transportadas para o destino final da obra e as dimensões e/ou pesos das partes da estrutura possuem limites estabelecidos para transitar nas rodovias. Os elementos de aço são suscetíveis à corrosão atmosférica, portanto necessitando de proteção, como tintas. Como descrito anteriormente, os aços patináveis são resistentes à corrosão atmosférica, porém, dependendo da agressividade do local, necessitam de pintura ou outro método de proteção contra a corrosão. Para a execução dos processos de produção dos elementos de aço, há necessidade de mão de obra e equipamentos especializados. Em alguns locais, há limitação de fornecimento de perfis estruturais

3 Aços para perfis, barras e chapas Segundo a NBR 8800 (2008), os aços usados em perfis, barras e chapas são aqueles com qualificação estrutural que possuem resistência ao escoamento máxima de 450 MPa e relação entre resistências à ruptura (f ) e ao u escoamento (f ) não inferior a 1,18. y Na tabela 1, são mostrados os valores nominais mínimos da resistência ao escoamento (f ) e da resistência à y ruptura (f ) de aços para uso estrutural em perfis e chapas especificados por diferentes Normas Brasileiras que u regulam a utilização de aços estruturais. Tabela 1 - Aços especificados por Normas Brasileiras para uso estrutural Fonte: ABNT, 2008, p A sigla MR significa média resistência mecânica, a sigla AR significa alta resistência mecânica e a sigla COR significa resistência à corrosão atmosférica para os aços ABNT NBR

4 Na Tabela 2, são mostrados os valores nominais mínimos da resistência ao escoamento e da resistência à ruptura de alguns aços estruturais de uso frequente relacionados pela ASTM

5 Tabela 2 - Aços de uso frequente especificados pela ASTM para uso estrutural Fonte: ABNT, 2008, p

6 O aço ASTM A36 é o mais utilizado em estrutura metálica para a fabricação de edifícios, pontes e estruturas em geral. Esse aço pode ser fornecido em perfis, chapas e barras. FIQUE ATENTO Em certas condições ambientais, ocorre a corrosão galvânica, que é a degradação do material menos nobre quando utilizado dois ou mais elementos em contato com diferentes composições químicas. O aço ASTM A588 é empregado onde se deseja redução de peso próprio da estrutura, aliando uma maior resistência à corrosão atmosférica, que é 4 vezes maior que a do aço carbono comum. Parafusos, porcas e arruelas Segundo Bellei (2004), as ligações parafusadas são utilizadas em grande escala nas ligações de partes das estruturas nas montagens finais de campo e nas de fábrica. Os parafusos de aço de baixo teor de carbono devem satisfazer a ASTM A307 ou ISO Classe 4.6, que são os parafusos comuns de mais baixo custo. Os parafusos de aço-liga temperado e revenido devem satisfazer a ASTM A490 ou a ISO 4016 Classe 10.9, que são os parafusos de alta resistência. As porcas e arruelas devem satisfazer as especificações compatíveis, citadas no ANSI/AISC 360. Na Tabela 3, são mostrados os valores mínimos da resistência ao escoamento e da resistência à ruptura de parafusos, de acordo com suas respectivas normas ou especificações, bem como os diâmetros nos quais os mesmos podem ser encontrados

7 Tabela 3 - Materiais usados em parafusos Fonte: ABNT, 2008, p Os parafusos fabricados com aço temperado não podem ser soldados nem aquecidos, e o material do parafuso deve ser compatível com o material das peças de ligação, que estão em contato para evitar a corrosão galvânica. FIQUE ATENTO A utilização de aços de baixa liga e alta resistência, tais como o ASTM A572 Grau 50, implica no emprego de parafusos ASTM A325N Tipo 1, enquanto que, para os aços patináveis, devemos utilizar, obrigatoriamente, parafusos ASTM A325 Tipo 3 Grau A. Mais detalhes construtivos sobre ligações por conectores serão apresentados no futuro. Geralmente, são usados parafusos comuns para ligações simples e que estejam sob carregamento estático. Já os parafusos de alta resistência, são muito utilizados em ligações com carregamentos dinâmicos. Metal de solda e fluxo para soldagem A soldagem é a técnica de unir duas ou mais partes construtivas, obtida por fusão das partes adjacentes, assegurando a continuidade do material entre elas. Os eletrodos, arames e fluxos para soldagem devem obedecer às seguintes especificações (NBR 8800, 2008, p. 12): AWS A5.1 à Para eletrodos de aço doce, revestidos, para soldagem por arco elétrico; AWS A5.5 à Para eletrodos de aço de baixa liga, revestidos, para soldagem por arco elétrico; - 7 -

8 AWS A5.17 à Para eletrodos nus de aço doce e fluxo, para soldagem por arco submerso; AWS A5.18 à Para eletrodos de aço doce, para soldagem por arco elétrico com proteção gasosa; AWS A5.20 à Para eletrodos de aço doce, para soldagem por arco com fluxo no núcleo; AWS A5.23 à Para eletrodos nus de aço de baixa liga e fluxo, para soldagem por arco submerso; AWS A5.28 à Para eletrodos de baixa liga, para soldagem por arco elétrico com proteção gasosa; AWS A5.29 à Para eletrodos de baixa liga, para soldagem por arco com fluxo no núcleo. A resistência mínima à tração dos metais de soldas é fornecida na Tabela 4. Tabela 4 - Resistência à tração do metal de solda Fonte: ABNT, 2008, p Nas estruturas metálicas soldadas, deve-se tomar precauções com a retração da solda após o seu resfriamento, pois pode causar distorção nos perfis. FIQUE ATENTO Deve-se utilizar eletrodos do tipo E70XX para soldar os aços de baixa liga e alta resistência tais como o ASTM A572 Grau 50 e os eletrodos do tipo E7018W ou E7018G para soldar os aços patináveis. Os tipos de soldas e seus processos construtivos serão apresentados com mais detalhes no futuro. Os eletrodos com revestimento são designados pela ASTM por expressões do tipo E70XY, onde: E = eletrodo 70 = é a resistência à ruptura da solda em ksi X = número que se refere à posição de soldagem (1: qualquer posição; 2: somente posição horizontal) Y = número que indica o tipo de corrente e de revestimento do eletrodo

9 Propriedades mecânicas Para efeito de cálculo das estruturas de aços, segundo a NBR 8800 (2008), devem ser adotados os seguintes valores de propriedades mecânicas: Módulo de elasticidade (E) = MPa; Coeficiente de Poisson (n) = 0,3; Módulo de elasticidade transversal, G = MPa; -5-1 Coeficiente de dilatação térmica (β) = 1,2 10 C ; 3 Massa específica (ρ) = kg/m. Figura 1 - Diagramas tensão x deformação de aços estruturais Fonte: Pfeil e Pfeil, 2009, p. 14. O que se nota a partir da figura é a característica de aços mais resistentes tenderem a ser menos deformáveis, apresentando a tensão última de ruptura com deformações da ordem da metade de aços menos resistentes. Portanto, para situações onde não sejam permitidas grandes deformações, é aconselhável a utilização de aços com classes de resistências maiores. Já a figura a seguir foca a análise no início das deformações, apresentando as fases elástica e plástica do aço sob tensão

10 Figura 2 - Diagramas tensão x deformação de aços estruturais no início das deformações Fonte: Pfeil e Pfeil, 2009, p. 14. O regime elástico compreende o intervalo de deformação em que o material obedece à lei de Hooke, tendo como característica o retorno às suas dimensões iniciais quando retiradas as tensões. Passando ao patamar de escoamento, essas dimensões não retornam ao estado inicial, mantendo uma deformação permanente ao material. Projetos estruturais normalmente são elaborados com o aço trabalhando em seu patamar de escoamento. Em condições normais de temperatura atmosférica, as propriedades mecânicas são praticamente constantes para qualquer aço estrutural

11 Figura 3 - Galpão industrial fabricado com aço estrutural Fonte: Chinahbzyg / Shutterstock Na construção civil, usa-se com muita frequência os aços estruturais em galpões industriais e edifícios de múltiplos andares. Na figura, é mostrado um galpão industrial feito de aço estrutural. Em condições normais de temperatura atmosférica, as propriedades mecânicas são praticamente constantes para qualquer aço estrutural. Fechamento Agora que você já conhece os principais aços estruturais, materiais de ligação e suas propriedades mecânicas, terá capacidade de especificá-los em projetos e cálculos de elementos de estruturas metálicas. Nesta aula, você teve a oportunidade de: conhecer o que são os aços estruturais e suas propriedades mecânicas; conhecer os materiais de ligações utilizados em estruturas metálicas. Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8800: Projetos de Estrutura de aço e de estrutura mista de aço e concreto de edifícios. Rio de Janeiro, BELLEI, I. H. Edifícios industriais em aço: projeto e cálculo. 5. ed. São Paulo: Pini Ltda., PINHEIRO, A. C. F. B. Estruturas metálicas: cálculo, detalhes, exercícios e projetos. 2. ed. São Paulo: Edgard Blucher,