UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA Campus Universitário de Tucuruí Faculdade de Engenharia Civil e Ambiental
Davi Barbosa Costa da Silva Jéssica Laina Marques Jonas Cardoso Rocha Eliane Moraes Américo Mileno Ramos de Souza Pablo Virgolino Freitas
O AÇO NA CONSTRUÇÃO CIVIL
Tucuruí – PA 2011
Davi Barbosa Costa da Silva Jéssica Laina Marques Jonas Cardoso Rocha Eliane Moraes Américo Mileno Ramos de Souza Pablo Virgolino Freitas
O AÇO NA CONSTRUÇÃO CIVIL
Trabalho apresentado à Profª. M.Sc. Andrielli Morais de Oliveira, da UFPA – Universidade Universidade Fede Federa rall do Pará Pará,, em cum cumprim primen entto às exig exigên ênci cias as da disc discip ipli lina na Mate Materi riai aiss de construção, do Curso de Engenharia Civil e Ambiental.
Tucuruí – PA 2011
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.....................................................................................................................3 2 O AÇO NA CONSTRUÇÃO CIVIL...................................................................................4 2.1 Microestrutura do Aço..................................................................................................4 2.2 Processo de Fabricação.................................................................................................5 2.2.1 Preparo das matérias-primas....................................................................................6 2.2.2 Coqueira e sinterização............................................................................................6 2.2.3 Alto forno.................................................................................................................7 2.2.4 Aciaria......................................................................................................................8 2.2.5 Lingotamento contínuo............................................................................................9 2.2.6 Tratamento mecânico...............................................................................................9 2.2.6.1 Laminação a quente.......................................................................................10 2.2.6.2 Laminação a frio............................................................................................10 2.3 Classificações................................................................................................................11 2.3.1 Aço estrutural.........................................................................................................11 2.3.2 Aço inoxidável.......................................................................................................11 2.3.3 Aço de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL).....................................................12 2.3.4 Barras e fios de aço................................................................................................14 2.4 Aplicações.....................................................................................................................15 2.5 Vantagens e Desvantagens do Uso do Aço.................................................................18 3 CONCLUSÃO.....................................................................................................................21 4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..............................................................................22
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1 INTRODUÇÃO O emprego das ligas metálicas nos vários setores da engenharia e da indústria é baseado principalmente nas suas propriedades mecânicas; ou seja, na sua capacidade de suportar as cargas a que estão sujeitas quando em serviço. Contudo, outros importantes características devem ser levadas em consideração, tas como resistência à corrosão, resistência ao calor, propriedades elétricas e magnéticas etc. (CHIAVERINI, 2003). Entre as ligas metálicas, as ligas ferro-carbono (os aços) são as mais importantes, porque são as mais utilizadas, quer nas condições naturais, quer quando submetidas a tratamentos térmicos. Sua estrutura, durante as operações de tratamento térmico, pode sofrer profundas modificações, acarretando, em consequência, propriedades de alto significado para suas aplicações na indústria e na engenharia em geral (CHIAVERINI, 2003). O objetivo do presente trabalho é apresentar, de modo geral, o processo de fabricação e aplicações do aço na construção civil, haja vista sua importância neste ramo da engenharia.
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2 O AÇO NA CONSTRUÇÃO CIVIL 2.1 Microestrutura do Aço O ferro é um elemento cuja forma ou reticulado cristalino é cúbico. Caracteriza-se esse elemento pelo fato de apresentar o fenômeno de alotropia ou polimorfismo, isto é, a capacidade de possuir diferentes formas cristalinas cúbicas, como mostra a Figura 1 (CHIAVERINI, 2003).
(a)
(b)
Figura 1: Representação esquemática e vista tridimensional da (a) estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) e (b) estrutura cúbica de face centrada (CFC) do ferro, respectivamente (SILVA; MEI, 2006)
O ferro pode apresentar ainda transformações segundo a sua temperatura (Figura 2). A combinação do carbono e ferro, em equilíbrio termodinâmico, dará origem a diferentes fases para as diversas temperaturas avaliadas. Depois de combinados, a faixa de temperatura em que as fases ocorrem podem ser diferentes ou não das faixas apresentadas na Figura 2, dependendo do teor de carbono utilizado (SILVA; MEI, 2006).
Figura 2: Mudanças de fase do ferro puro (SILVA; MEI, 2006)
5 A ferrita (α), solução sólida de carbono em ferro CCC, é existente até a temperatura de 912 ºC. A solubilidade máxima do carbono nesta faixa é 0,20% a 727 ºC (SILVA; MEI, 2006). A austenita (γ), solução sólida de carbono em ferro CFC, existe entre as temperaturas de 727 e 1495 ºC, com solubilidade máxima de carbono no ferro de 2,11% a 1148 ºC. Nesta fase, o teor de carbono 2% é adotado como separação entre os dois principais produtos siderúrgicos: os aços, objetos de estudo no presente trabalho, com teores de carbono até 2% em peso, e os ferros fundidos, com teores de carbono maiores que 2% em peso (SILVA; MEI, 2006). A ferrita (δ) existe em temperaturas acima de 1394 ºC, para pequenos teores de carbono (que atingem um máximo de 0,09% a 1495 ºC). Em tais situação, o ferro novamente possui a estrutura CCC (SILVA; MEI, 2006). Uma propriedade importante da forma alotrópica gama (γ) do ferro é que ela pode manter em solução quantidades apreciáveis de carbono; ao contrário a forma alfa (α) só dissolve quantidades insignificantes de carbono (CHIAVERINI, 2003). Os fenômenos descritos são fundamentais, pois determinam importantes transformações de fases durante as etapas de aquecimento e resfriamento nos tratamentos térmicos das ligas Fe-C, transformações essas que são responsáveis pelas propriedades finais alcançadas nessas operações (CHIAVERINI, 2003).
2.2 Processo de Fabricação Siderurgia é o ramo da metalurgia que se dedica à fabricação e tratamento do aço. Antes de qualquer coisa, porém, é de suma importância definir o que é a metalurgia. Esta é o conjunto de técnicas que o homem desenvolveu com o decorrer do tempo que lhe permitiu extrair e manipular metais e gerar ligas metálicas. O processo siderúrgico pode ser dividido em quatro grandes partes, descritas abaixo: a) Preparo das matérias-primas (coqueira e sinterização); b) Produção de gusa (alto forno); c) Produção de aço (aciaria); d) Conformação mecânica (laminação) (MILEK et al., 2011).
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2.2.1 Preparo das matérias-primas O ponto de partida para obtenção do aço é o minério de ferro. A hematita (Fe 2O3) é atualmente o minério de ferro de maior emprego na siderurgia, sendo o Brasil um dos grandes produtores mundiais. Atualmente o aço é produzido através de dois processos básicos: a partir de matérias-primas (minério de ferro, calcário e coque) em alto-forno ou a partir de sucata em forno eléctrico de arco. Sendo que o minério de ferro, principalmente a hematita, e o carvão mineral não são encontrados puros na natureza, sendo necessário então um preparo nas matérias primas de modo a reduzir o consumo de energia e aumentar a eficiência do processo (MILEK et al., 2011; PINHEIRO et al., 2010). Consiste na preparação do mineral extraído da natureza, geralmente feita a céu aberto, visto que a sua ocorrência é em grande quantidade. Nessa fase o material é passado por britadeiras, seguida de classificação pelo tamanho, em seguida é lavado com jato de água, para eliminar argila, terra etc. (PINHEIRO et al., 2010)
2.2.2 Coqueira e sinterização A coqueificação (Figura 3) ocorre em altas temperaturas, a 1300 ºC em ausência de ar, resultando na liberação de substâncias voláteis. O coque, elemento obtido após essa etapa é um material poroso com elevada resistência mecânica, alto ponto de fusão e grande quantidade de carbono (MILEK et al., 2011).
Figura 3: sequência de operação na coqueificação (DCMM, 2011).
Já no processo de sinterização (Figura 4), é realizada a preparação do minério de ferro,
7 no qual é feito cuidando-se da granulometria, pois resultando em grãos finos haverá uma tendência a diminuir a permeabilidade do ar na combustão comprometendo a queima. Para a solução deste problema, é necessário materiais fundentes como: calcário, areia de sílica ou o próprio sínter, aos grãos mais finos. Tendo a composição correta, estes elementos são levados ao forno onde a mistura é fundida. Logo após esse processo, o material resultante é resfriado e britado até atingir a granulometria desejada (diâmetro médio de 5 mm) (MILEK et al., 2011).
Figura 4: etapa de sinterização (DCMM, 2011).
2.2.3 Alto forno Nesta parte do processo de obtenção do aço (Figura 5), é necessária a redução do minério de ferro, utilizando-se então o coque metalúrgico e outros fundentes, que misturados com o minério de ferro é transformado em ferro gusa. A redução tem como objetivo retirar o oxigênio do minério, que assim será reduzido a ferro, e o separa da ganga. Esta é o resultado da combinação de carbono (coque) com o oxigênio do minério. Este tipo de reação química ocorre em um equipamento denominado alto forno, sendo que a respectiva reação libera calor, ou seja, é um processo exotérmico. Simultaneamente, a combustão do carvão e o oxigênio do ar fornecem calor para fundir o metal reduzido e a ganga, que se combina ao mesmo tempo com os fundentes, formando a escória que se separa do ferro no estado líquido, em virtude do seu menor peso específico. Os resíduos formados por meio da reação, a escória, são vendidos para as indústrias de cimento, pois na base do alto forno obtém-se a escória de alto forno e o ferro gusa, que é quebradiço e tem baixa resistência, por apresentar altos teores de carbono e de outros materiais, entre os quais silício, manganês, fósforo e enxofre (MILEK et al., 2011; PINHEIRO et al., 2010).
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Figura 5: etapa de alto forno (DCMM, 2011)
Logo após as reações químicas, o ferro gusa que se encontra no estado líquido é transportado nos carros-torpedos, estes são revestidos com elemento refratário, para uma estação de dessulfuração, onde são reduzidos os teores de enxofre a níveis aceitáveis. Também são imprescindíveis as análises da composição química da liga (carbono, silício, manganês, fósforo, enxofre) e a seguir o carro torpedo transporta o ferro gusa para a aciaria, onde será transformado em aço (MILEK et al., 2011). COREX é um processo de redução em forno de cuba para produção de metal líquido a partir de pelotas, minério granulado e carvão não-coqueificável. FINMET é um processo de redução direta em leito fluidizado utilizando finos de minério de ferro e gás natural, gerando um produto com 92% de metalização. MIDREX e HyL são processos de redução em forno de cuba utilizando gás redutor rico em CO para a produção de ferro esponja a partir de pelotas e minérios granulados (DCMM, 2011).
2.2.4 Aciaria Nesta etapa, o ferro gusa é transformado em aço por meio da injeção de oxigênio puro sob pressão no banho de gusa líquido, dentro de um conversor e com a diminuição de teor de carbono e de outros materiais. O objetivo da reação constitui na diminuição da gusa por meio da combinação dos elementos de liga existentes (silício, manganês) com o oxigênio soprado,
9 o que provoca uma grande elevação na temperatura, atingindo aproximadamente 1700 ºC (MILEK et al., 2011). Os gases resultantes do processo são queimados logo na saída do equipamento e aos demais resíduos não necessários, são eliminados pela escória, que se localiza na superfície do metal. Após alguns ajustes na composição do aço, este é transferido para a próxima etapa que constitui o lingotamento contínuo (MILEK et al., 2011).
2.2.5 Lingotamento contínuo Neste processo (Figura 6) o aço líquido é transferido para moldes onde ele se solidificará sob a forma de barras de seção redonda. O aço líquido é colocado em um distribuidor que alimenta quatro moldes de cobre, refrigerados a água, onde são produzidas barras redondas de 180, 194 e 230 mm de diâmetro. São produzidos os tarugos, que são barras de aço de seção quadrada e comprimento de acordo com sua finalidade. Nesta fase surge a formação de uma fina casca sólida na superfície do material. Após a passagem pela lingoteira, existe a câmara de refrigeração, onde é feita a aspersão de água que se encontra sobre a superfície sólida e ainda rubra do material, auxiliando sua solidificação até o núcleo (PINHEIRO et al., 2010).
Figura 6: lingotamento contínuo (DCMM, 2011)
2.2.6 Tratamento mecânico O aço obtido nas aciarias apresenta granulação grosseira, é quebradiço e de baixa resistência. Para aplicações estruturais, ele precisa sofrer modificações, o que é feito por dois tipos de tratamento: a quente e a frio (PINHEIRO et al., 2010).
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2.2.6.1 Laminação a quente Em seguida, os lingotes passam pelo processo de laminação, podendo ser a quente ou a frio, nos quais se transformarão em chapas através da diminuição da área da seção transversal. Na laminação a quente, a peça é aquecida e submetida à deformação por cilindros que a pressionarão até atingir a espessura desejada. Os aços laminados a quente podem ser: •
chapas grossas, com espessura de 6 a 200 mm, largura de 1000 a 3800 mm, comprimento: 5000 a 18000 mm; ou
•
tiras, com espessura: 1,2 a 12,50 mm, largura: 800 a 1800 mm, comprimentos-padrão de 2000, 3000 e 6000 mm (MILEK et al., 2011).
A produção de por meio da laminação a quente ocorre quando a temperatura de trabalho é maior que 720 ºC (zona crítica), em que ocorre a recristalização do aço. Nessa situação o aço é mais mole, sendo mais fácil de trabalhar, pois os grãos deformados recristalizam-se em seguida sob a forma de pequenos grãos (PINHERO et al , 2010). Nessas temperaturas há uma modificação da estrutura interna do aço, ocorrendo homogeneização e recristalização com a redução do tamanho dos grãos, melhorando as características mecânicas do material. O aço obtido nessa situação apresenta melhor trabalhabilidade, aceita solda comum, possui diagrama tensão-deformação com patamar de escoamento, e resiste a incêndios moderados. Perde resistência, apenas, com temperaturas acima de 1150 ºC. Estão incluídos neste grupo os aços CA-25 e CA-50 (PINHERO et al , 2010).
2.2.6.2 Laminação a frio Corresponde ao processo de redução da espessura e o nivelamento do aço, alumínio e outros metais em temperaturas menores que as do processo de laminação a quente (PINHERO et al , 2010).
Neste tratamento ocorre uma deformação dos grãos por meio de tração,compressão ou torção. Resulta no aumento da resistência mecânica e da dureza, e diminuição da resistência à corrosão e da ductilidade, ou seja, decréscimo do alongamento e da estricção. Sendo que tal processo é realizado abaixo da temperatura crítica de 720 ºC (PINHERO et al , 2010). Nesta situação, os diagramas tensão-deformação dos aços apresentam patamar de
11 escoamento convencional, a solda torna-se mais difícil e, à temperatura da ordem de 600 ºC, o encruamento é perdido. Neste grupo está incluído o aço CA-60 (PINHERO et al , 2010).
2.3 Classificações 2.3.1 Aço estrutural Aços estruturais são vergalhões para reforço de concreto, barras, chapas de perfis estruturais e perfis para aplicações (FERRAZ, 2003). Os vergalhões para concreto armado são especificados segundo a norma NBR 7480, sendo designados CA xx, em que os dois algarismos indicados por xx representam o limite de escoamento mínimo em kgf/mm² (exemplo: CA-25, CA-50 etc.) (SILVA; MEI, 2006). Pertencem a duas classes: A – laminados a quente e B – encruados (laminados a frio ou torcidos). É importante notar que, enquanto os vergalhões de classe A podem ser soldados sem apresentar enfraquecimento, os aços encruados podem recristalizar e sofrer transformações, durante a soldagem, o que reduziria seu limite de escoamento (SILVA; MEI, 2006). Para concreto protendido, a NBR 7482 designa os aços CP-xxx, em que os algarismos indicados por xxx indicam o limite de ruptura em kgf/mm², havendo três classes: A – laminado a quente, B – encruado e C – temperado. Novamente, deve-se observar os possíveis efeitos negativos da soldagem nas classes B e C (SILVA; MEI, 2006). É sempre recomendável, quando se deseja soldar vergalhões, avaliar a composição química do material, para verificar sua soldabilidade ou obter a garantia de soldabilidade do fabricante (SILVA; MEI, 2006).
2.3.2 Aço inoxidável Adições de cromo aumentam a resistência à oxidação e à corrosão do aço. Tais vantagens são obtidas quando existem teores de cromo superiores a 12 %. Estes aços, comumente designados como aços inoxidáveis, são de grande interesse para a engenharia, em função de sua resistência à oxidação e à corrosão, propriedades mecânicas a temperaturas
12 elevadas e tenacidade (dos inoxidáveis austeníticos) (SILVA; MEI, 2006). Existe atualmente uma grande variedade de ligas produzidas, cada uma apresentando propriedades específicas em função de sua composição química. Nesta composição química, bem como de características metalúrgicas, é que estão agrupadas as três famílias dos aços inoxidáveis: austeníticos, ferríticos e martensíticos. Existem diversos sistemas de classificação. O padrão reconhecido pela ABNT contempla as seguintes categorias (FERRAZ, 2003): a) austeníticos: contém tipicamente 18% de cromo, 8% de níquel e baixo teor de carbono. Atualmente esta família responde por cerca de 70% do total de aços inox produzidos em todo o mundo, principalmente em função de características como: excelente resistência à corrosão, alta resistência mecânica, boa soldabilidade, boa conformabilidade, facilidade de limpeza, durabilidade, recomendando-os à arquitetura e construção em geral; b) ferríticos: são ligas de ferro-cromo, contendo geralmente de 12 a 17% de cromo. Apresentam boa resistência à corrosão em meios menos agressivos, boa ductilidade, razoável soldabilidade; c) martensíticos: também são ligas ferro-cromo. Uma característica desta família é a de poder atingir altas durezas (1379 MPa) através de tratamento térmico, entretanto, não são especificados para uso da construção civil (FERRAZ, 2003). Ressalta-se que nenhum material é completamente inoxidável, no sentido da palavra, e muita atenção deve ser dada à correta seleção do material para aplicações em meios corrosivos; o aço ao carbono comum, por exemplo, pode apresentar resultados superiores a um aço “inoxidável” inadequadamente selecionado (SILVA; MEI, 2006).
2.3.3 Aço de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL) Existem aços especiais, resistentes à corrosão atmosférica, um fenômeno que exige atenção, principalmente, quando se vai utilizar estruturas de aço aparente. Há alguns aços que, mesmo sem a utilização de uma proteção adicional, possuem a capacidade de resistir a esse tipo de corrosão de forma bastante superior aos aços comuns. São os chamados aços patináveis ou aclimáveis. Tais características podem ser observadas em função da presença de determinados elementos de liga, como cobre, fósforo, cromo, silício, níquel, manganês,
13 vanádio, nióbio, molibdênio, entre outros, em combinações específicas, conforme a siderúrgica produtora (FERRAZ, 2003). Os aços patináveis foram introduzidos no início da década de trinta nos Estados Unidos, inicialmente para utilização em estradas de ferro, e mais especificamente na fabricação de vagões de carga. Devido às características e qualidades desses aços, que combinavam alta resistência mecânica com resistência à corrosão atmosférica, rapidamente encontraram aceitação, embora no início fossem empregados, na maioria das vezes, como revestimento. Comercialmente, receberam o nome de CORTEN. Atualmente são utilizados nos mais diversos campos, principalmente na construção civil. No Brasil estão disponíveis sob a forma de chapas, bobinas e perfis soldados, possuindo denominações especiais conforme a siderúrgica produtora (FERRAZ, 2003). É necessário observar alguns aspectos relevantes ao desenvolvimento desta pátina protetora: •
A camada protetora, bem formada, só é conseguida em condições de umedecimento (chuva e umidade) e secagem (sol e vento);
•
O tempo de sua formação varia em função da atmosfera local, levando em média de 2 a 3 anos. Após esse período ela adquire uma coloração marrom escura;
•
Locais de retenção de grande umidade ou partes submersas não desenvolvem a mesma proteção, pois não estão expostos à luz solar;
•
Locais submetidos a lavagens acentuadas e constantes, tais como zonas de respingo em água do mar, não apresentam eficiência superior ao aço comum, já que a lavagem remove a pátina;
•
As regiões não expostas aos intemperismos naturais, tais como juntas de expansão, articulações, e regiões sobrepostas, apresentam comportamento crítico (FERRAZ, 2003).
A classificação de aços como de Alta Resistência e Baixa Liga é bastante genérica e, frequentemente, conduz a mal-entendidos. Há uma superposição natural entre o conceito de aços ARBL e classificações baseadas no emprego, isto é, aços ARBL são empregados como aços estruturais, aços para indústria automobilística, aços para tubulações, vasos de pressão etc. (SILVA; MEI, 2006). Além disso, alguns destes aços têm sido agrupados em famílias em função de alguma característica comum, tais como: aços bifásicos ( dual-phase ), aços de perlita-reduzida
14 (reduced-pearlite ), aços laminados controladamente, aços spray-quenched etc. (SILVA; MEI, 2006). Evidentemente, todas as classificações ou agrupamentos podem ser úteis dentro de determinadas condições; é importante, entretanto, não se deixar confundir pelas diversas nomenclaturas, pois, assim como o próprio “nome” dado ao aço, elas não podem alterar suas propriedades e características. Estas decorrem, fundamentalmente, de sua composição química, processamento e, consequentemente, da estrutura (macro micro), e não dependem da “etiqueta” que se coloca no produto (SILVA; MEI, 2006). Nas últimas décadas notaram-se grandes desenvolvimentos na tecnologia dos aços ARBL. Estes desenvolvimentos foram baseados, em sua maioria, na compreensão da correlação entre propriedades e microestrutura (SILVA; MEI, 2006).
2.3.4 Barras e fios de aço Na engenharia, é comum a combinação de diferentes materiais visando ganhos em propriedades mecânicas. O concreto, um material cerâmico, possui boa resistência aos esforços de compressão, não tendo a mesma eficiência quanto aos esforços de tração, no entanto. O reforço do concreto com armaduras de aço dá origem ao concreto armado, que pode resistir de maneira satisfatória tanto à compressão quanto à tração graças às características dos dois materiais. Aço para concreto armado é a designação dada a todos os aços adequados para a utilização como armadura nas estruturas de concreto. No início do emprego do concreto armado na construção, utilizavam-se principalmente barras redondas laminadas em bruto e, às vezes, ferros chatos e angulares, que eram ancorados no concreto por meio de ganchos nas suas extremidades, nessa época a tensão de trabalho na armadura era baixa, de modo que as propriedades de aderência das barras eram suficientes. No entanto, com o aparecimento dos aços de alta resistência foi necessário melhor a capacidade de aderência das barras. Atualmente são utilizadas em concreto armado barras redondas lisas ou com saliências ou, em alguns casos malhas ou telas soldadas (ALMEIDA, 2002). Classificam-se como barras os elementos com comprimento nominal entre 10,00 a 12,00 m (Figura 7a) e como fios os elementos de diâmetro nominal inferior ou igual a 12,5 mm cujo processo de fabricação permita o fornecimento em rolos de grandes comprimentos (Figura 7 b) (ALMEIDA, 2002).
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(a)
(b)
Figura 7: (a) barras e (b) fios de aço (ALMEIDA, 2002).
As barras possuem diâmetro nominal igual a 6,3 mm ou superior, obtidos exclusivamente por laminação a quente sem processo posterior de deformação mecânica. Podem ser fornecidos em barras retas ou em rolos (os rolos podem ser posteriormente endireitados e cortados em barras). São obrigatoriamente providas de nervuras transversais oblíquas e duas longitudinais diametralmente opostas (IFBQ, 2011). Os fios são produtos de aço de diâmetro nominal igual ou inferior a 10,0 mm, obtidos a partir de fio máquina por trefilação ou laminação a frio. Podem ser lisos, entalhados ou nervurados, com exceção dos de diâmetro igual a 10,0 mm que devem ter obrigatoriamente entalhes ou nervuras (IFBQ, 2011). As barras lisas são fabricadas apenas para aços de baixa resistência, enquanto que as barras de aço de alta resistência exigem saliências. As malhas soldadas podem ser compostas por barras lisas (diâmetros menores) ou com saliências (diâmetros maiores) (ALMEIDA, 2002).
2.4 Aplicações Desde o século XVIII, quando se iniciou a utilização de estruturas metálicas na construção civil até os dias atuais, o aço tem possibilitado aos arquitetos, engenheiros e construtores, soluções arrojadas, eficientes e de alta qualidade. Das primeiras obras – como a Ponte Ironbridge na Inglaterra, de 1779 – aos ultramodernos edifícios que se multiplicaram pelas grandes cidades, a arquitetura em aço sempre esteve associada à ideia de modernidade, inovação e vanguarda, traduzida em obras de grande expressão arquitetônica e que invariavelmente traziam o aço aparente (PONTE, 2011).
16 No entanto, as vantagens na utilização de sistemas construtivos em aço vão muito além da linguagem estética de expressão marcante; redução do tempo de construção, racionalização no uso de materiais e mão de obra e aumento da produtividade, passaram a ser fatores chave para o sucesso de qualquer empreendimento. Um exemplo desse sucesso é a construção da Ponte do Rio Colorado. O projeto foi escolhido não só porque atendia aos requisitos técnicos,mas também porque se tratava uma solução com ótimo custo-benefício, pois aliava as melhores propriedades do concreto com as do aço e causava menor impacto ambiental (PONTE, 2011).
Figura 8: Ponte passagem da Represa Hoover, sobre o rio Colorado (PONTE, 2011).
A competitividade da construção metálica tem possibilitado a utilização do aço em obras como: edifícios de escritórios e apartamentos, residências, habitações populares, pontes, passarelas, viadutos, galpões, supermercados, shopping centers, lojas, postos de gasolina, aeroportos e terminais rodo-ferroviários, ginásios esportivos, torres de transmissão, dentre outras (INABA, 2011). O aço, atualmente, também tem sido utilizado como elementos estruturais de prédios de até dois pavimentos, num sistema denominado Light Steel Framing. O termo Steel indica a matéria prima usada na estrutura, o aço. A inclusão de Light, ou leve, indica que os elementos em aço são de baixo peso uma vez que são produzidos a partir de chapa de aço com espessura reduzida (INABA, 2011).
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Figura 9: Moradia construída segundo o sistema Light Steel Framing, ainda sem o revestimento estrutural (INABA, 2009)
O termo Light também lembra que não é necessário utilizar equipamentos e maquinaria pesada na construção. Também ressalta a flexibilidade, dado que permite qualquer tipo de acabamento exterior e interior. Além disso, o próprio peso do edifício é baixo, não só porque a sua estrutura é leve, mas também por que o Light Steel Framing é especialmente vocacionado para edifícios de pouca altura, em contraste com as estruturas pesadas de grandes prédios de apartamentos. Apesar de serem usados elementos em aço leve galvanizado para fins não estruturais em edifícios de maiores dimensões, o termo Light Steel Framing é especialmente usado para edifícios residenciais até dois ou três pisos, ou seja, edifícios leves. Também se emprega a palavra Light para lembrar a facilidade com que os materiais são aplicados em obras de reabilitação de edifícios antigos cujas estruturas, embora pesadas, possuem baixa resistência sísmica (INABA, 2011). Framing
é a palavra usada na língua inglesa para definir um esqueleto estrutural
composto por diversos elementos individuais ligados entre si, passando estes a funcionar em conjunto, para dar forma e suportar o edifício e o seu conteúdo. A palavra também se refere aos processos usados para interligar os referidos elementos estruturais, sejam em madeira, ferro ou aço galvanizado. De difícil tradução em português (o termo mais aproximado seria caixilharia), tem-se optado por dizer estruturas (INABA, 2011). Assim, Light Steel Framing poderá traduzir-se por Estruturas em Aço Leve (INABA, 2011).
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Figura 10: Habitação de baixo custo utilizando estrutura de aço, do programa Usiteto (USIMINAS, 2001, apud FRANZOSO et al., 2005).
2.5 Vantagens e Desvantagens do Uso do Aço Diante do crescimento populacional e dos avanços tecnológicos, a indústria da construção civil no mundo tem buscado sistemas eficientes de construção com o objetivo de aumentar a produtividade, diminuir o desperdício e atender a uma demanda crescente. No Brasil, a construção civil ainda e predominantemente artesanal caracterizada pela baixa produtividade e principalmente pelo grande desperdício. O sistema construtivo em aço apresenta vantagens significativas sobre o sistema construtivo convencional (INABA, 2011). Apesar do Brasil ser um dos maiores produtores mundiais de aço, o emprego desse material em estruturas de edificações tem sido pouco expressivo se comparado ao potencial do parque industrial brasileiro. Paralelamente, o desenvolvimento de produtos siderúrgicos no país ampliou as alternativas de soluções construtivas disponíveis. Um parâmetro importante é que a utilização de sistemas construtivos com aço demanda profissionais preparados, projetos detalhados e integrados, minimizando perdas e prazos na construção. A tecnologia do aço confere total liberdade criadora, permitindo a elaboração de projetos arrojados e de expressão arquitetônica marcante. A boa relação entre resistência mecânica e peso específico permitem seções de pilares e vigas de aço substancialmente mais esbeltas do que as equivalentes em concreto e a opção de se utilizarem vãos maiores, resultando em melhor aproveitamento do espaço interno e aumento da área útil, fator muito importante principalmente em garagens. No entanto, essa relação também requer cuidado especial no projeto quanto a flambagem, flechas e vibrações (INABA, 2009; SOUZA, 2001). A estrutura metálica mostra-se especialmente indicada nos casos onde há necessidade
19 de adaptações, ampliações, reformas e mudança de ocupação de edifícios. Além disso, torna mais fácil a passagem de utilidades como água, ar condicionado, eletricidade, esgoto, telefonia, informática, etc. (INABA, 2009). O sistema construtivo em aço é perfeitamente compatível com qualquer tipo de material de fechamento, tanto vertical como horizontal, admitindo desde os mais convencionais (tijolos e blocos, lajes moldadas in loco) até componentes pré-fabricados (lajes e painéis de concreto, painéis " dry-wall ", etc.) (INABA, 2009). A fabricação da estrutura em paralelo com a execução das fundações, a possibilidade de se trabalhar em diversas frentes de serviços simultaneamente, a diminuição de formas e escoramentos e o fato da montagem da estrutura não ser afetada pela ocorrência de chuvas, pode levar a uma redução de até 40% no tempo de execução quando comparado com os processos convencionais. Deve-se observar, entretanto, que em contato com oxigênio, o aço se oxida rapidamente, exigindo proteção quanto à corrosão (INABA, 2009; SOUZA, 2001). Numa obra, através de processos convencionais, o desperdício de materiais pode chegar a 25% em peso. A estrutura metálica possibilita a adoção de sistemas industrializados, fazendo com que o desperdício seja sensivelmente reduzido. Sua utilização, porém, exige grau maior de especialização da mão-de-obra de montagem no canteiro de obras e eleva o gasto com equipamentos, normalmente alugados ou amortizados pela obra específica (INABA, 2009; SOUZA, 2001). Por serem mais leves, as estruturas metálicas podem reduzir em até 30% o custo das fundações. Em função da maior velocidade de execução da obra, haverá um ganho adicional pela ocupação antecipada do imóvel e pela rapidez no retorno do capital investido. As características de resistência do aço, no entanto, caem rapidamente com o aumento da temperatura, o que torna importante a proteção contra incêndios, fator que eleva o custo. A proteção contra incêndios também se faz necessária no caso de construções que são frequentadas por muitas pessoas, pois em tais casos, necessita-se de mais tempo para evacuar o local em situações de emergência. Essa proteção não é, normalmente, exigida em estruturas de concreto armado (INABA, 2009; SOUZA, 2001). Como a estrutura metálica é totalmente pré-fabricada, há uma melhor organização do canteiro devido entre outros à ausência de grandes depósitos de areia, brita, cimento, madeiras e ferragens, reduzindo também o inevitável desperdício desses materiais. O ambiente limpo com menor geração de entulho, oferece ainda melhores condições de segurança ao trabalhador contribuindo para a redução dos acidentes na obra. A despeito disso, é exigida grande precisão de fabricação, com tolerâncias bastantes reduzidas, além de especial atenção na transmissão
20 de esforços entre os elementos estruturais, especialmente os provenientes de cargas horizontais, o que torna frequente o uso de contraventamentos. O aço é totalmente reciclável e as estruturas podem ser desmontadas e reaproveitadas ou vendidas como sucata, caso necessário (INABA, 2009; SOUZA, 2001). Enquanto nas estruturas de concreto a precisão é medida em centímetros, numa estrutura metálica a unidade empregada é o milímetro. Isso garante uma estrutura perfeitamente aprumada e nivelada, facilitando atividades como o assentamento de esquadrias, instalação de elevadores, bem como redução no custo dos materiais de revestimento. Atualmente no Brasil, a estrutura de aço, em geral, ainda é mais cara que a de concreto armado para o mesmo fim. Esta característica se fortalece nas construções residenciais ou para escritórios até cerca de quarenta andares e pontes de pequenos vãos (INABA, 2009; SOUZA, 2001).
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3 CONCLUSÃO O engenheiro precisa dominar a tecnologia que emprega, tanto em fatores relacionados ao custo, quanto em vantagens proporcionadas e precauções a serem tomadas. O conhecimento das propriedades dos materiais empregados na construção civil é imprescindível para uma utilização adequada. Tal requisito se aplica ao uso do aço, cuja presença nesse setor tem se mostrada fundamental, quer para a utilização em concreto armado ou protendido, quer para estruturas metálicas de grandes edifícios.
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