Estrutura de Aço (2010.2) Mauro César de Brito e Silva1
1 - Introdução
O aço é uma variante do ferro. Basicamente ele é obtido a partir do minério de ferro + coque (combustível com altos teores de carbono) + cal. Sua fabricação pode ser dividida em: 1 – Sinterização ou preparo da carga: O sinter é obtido aglomerando grande parte dos finos do minério de ferro com a cal e finos de coque. O coque é obtido processando o carvão mineral na coqueria. 2 – Redução ou produção da gusa: O alto forno é carregado com a matéria prima (sinter + coque). O coque em contato com o oxigênio produz calor que funde a carga metálica e dá inicio ao processo de redução do minério de ferro, transformando- o em um metal líquido: o ferro gusa (liga de ferro e alto teor de carbono). 3 – Refino: Nas aciarias a oxigênio ou elétricas o gusa liquido ou sólido e sucata de ferro é transformado em aço liquido. Nesta fase também é retirado parte do carbono juntamente com as impurezas e a maior parte do aço liquido é solidificada em equipamentos de lingotamento contínuo que produzem semi-acabados, lingotes e blocos. 4 – Laminação: Os semi-acabados, lingotes e blocos são processados por equipamentos chamados laminadores e transformados em uma grande variedade de produtos cuja nomenclatura depende de sua forma e/ou composição química. O aço talvez seja o mais versátil de todos os materiais estruturais. Ele tanto resiste bem à tração quanto a compressão. E isso faz dele um material de alta resistência às cargas de flexão f lexão como também as cargas axiais. O aço também é mais forte dos materiais estruturais, cerca de 20 vezes mais forte que a madeira e 10 vezes mais forte que o concreto, e isto faz com que ele tenha um ótimo desempenho em edifícios altos e pontes de grandes vãos. Sendo esta uma das principais características do aço, é possível conseguir edificações com elementos estruturais muito esbeltos e com baixo volume de material estrutural. A maioria das estruturas de aço tem geometria regular e retilínea, e são formadas por perf is is laminados ou soldados, sendo sendo “ ” e “H” os tipos que que são muito utilizados como vigas e colunas dos edifícios. Outro tipo de perfil muito utilizado neste tipo de estrutura são os perfis de chapa dobrados que normalmente são usados em estruturas leves e de cobertura. A figura 1.1 mostra um detalhe de encontros entre c olunas, olunas, em perfil perfil soldado soldado tipo tipo “ ”, vigas, vigas, em perfil perfil soldado soldado do tipo tipo “ ” e barras de contraventamentos. Apesar dos perfis em aço terem geometria retilínea é possível fabricáfabricá los também em formas curvas. Entretanto, o sistema de pré-fabricação utilizado neste tipo de construção deve ser abandonado nas edificações irregulares e curvilíneas, pois um sistema que utiliza a pré-fabricação exige repetição dos seus elementos e que eles sejam regulares. 1
Professor Assistente III, Departamento de Artes e Arquitetura, PUC Goiás, Goiânia, Goiás, Brasil.
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Figura 1.1
Assim uma estrutura de aço de um edifício tem uma forma relativamente simples, e o arquiteto terá uma liberdade muito grande no que diz respeito ao planejamento do interior e do tratamento externo da edificação. O interior pode ser subdividido com paredes não estruturais e ainda pode existir um planejamento individualizado por pavimento. 2 – As propriedades e composição do aço
Como já foi citado, o aço é uma variante do ferro e é produzido a partir do minério de ferro, coque e cal. Na sua forma mais simples, o aço é o ferro gusa refinado, contendo de 0,02% a 2% de carbono. Existe uma grande diversidade de Aço-Liga que pode ser produzida com adição de outros elementos ao aço básico. Alguns dos elementos de liga mais importante são: - Manganês: usado praticamente em todo aço comercial. Melhora a resistência, auxilia na remoção do oxigênio e corrige os efeitos adversos do enxofre; - Níquel: aumenta a dureza, a resistência, a durabilidade, a rigidez e a resistência a corrosão; - Cobre: melhora a resistência a corrosão; - Silício: melhora as características magnéticas; - Molibdênio: melhora a temperabilidade e a dureza; - Cromo: melhora as qualidades de endurecimento e a resistência a corrosão; - Vanádio: melhora as propriedades mecânicas, características de tratamento térmico e a dureza. Os aços estruturais, que são adequados para o uso em elementos que suportam cargas, podem ser agrupados sob três classificações gerais, para as quais as faixas de tensão mínima de escoamento especificado são aproximadamente: - Aços carbono: 195 a 260 Mpa - Aços de alta resistência e baixa liga: 290 a 345 Mpa - Aços-liga para construção, tratados termicamente: 630 a 700 Mpa Os aços carbono são geralmente usados quando forem baixas as solicitações de cálculo e quando o critério principal de dimensionamento for a 2
rigidez da estrutura. Segundo a NBR 7007 o aço MR 250, que é correspondente ao ASTM A36, é um aço carbono, soldável e disponível sob a forma de perfis estruturais, que tem tensão de escoamento igual a 250 Mpa e tensão de ruptura igual a 400 Mpa. Os principais aços estruturais ASTM e sua utilização estão apresentados na tabela 1. Tabela 1 - Aços Estruturais ASTM
ESPECIFICAÇÃO ASTM
TIPOS DE PRODUTOS
A36
Perfis, chapas e barras
A242
Perfis, chapas e barras
A570
Chapas finas e tiras, laminadas a quente, em bobinas ou cortadas
A588
Perfis, chapas e barras de alta resistência e baixa liga
A606
Chapas finas e tiras de alta resistência e baixa liga, laminadas a quente e a frio
UTILIZAÇÃO Construção soldada e parafusada; pontes, edifícios, torres e uso estrutural geral. Construção soldada e parafusada; pontes, edifícios, torres e uso estrutural geral. A resistência à corrosão atmosférica é cerca de 4 vezes maior que o do aço carbono. Perfis formados a frio usados em edifícios, construção soldada, parafusada com parafusos comuns ou auto-atarrachantes. Usado principalmente em pontes soldadas e em edifícios. A resistência à corrosão atmosférica é cerca de 4 vezes maior que o do aço carbono. Uso em estruturas e em outras finalidades onde for importante a economia de peso e a maior durabilidade
Os aços estruturais com limites de escoamento iguais ou superiores a 290 Mpa, que adquirem resistência pela adição de pequenas quantidades de elementos de liga, ao invés de tratamento térmico, são designados aços de alta resistência e baixa liga. Eles são disponibilizados na forma de chapas, perfis estruturais, barras, tubos estruturais, chapas finas e bobinas, apresentam uma combinação de alta resistência, soldabilidade e resistência a corrosão atmosférica. Os aços tratados termicamente contêm elementos de liga e são adequados para as aplicações estruturais. Sendo temperados, têm limites de escoamento que variam de 630 a 700 Mpa. Além da resistência a corrosão atmosférica que é 4 vezes maior que a do aço carbono, é um aço de resistência a abrasão, que é de aproximadamente o dobro da do aço carbono. 3 – Produtos de aço
As usinas produzem aço estrutural sob diversas formas: chapas, barras, perfis laminados, cabos, fios trefilados e outras. Normalmente os três primeiros são fabricados em laminadores que, em sucessivos passes, dão ao aço pré-aquecido a seção desejada. As chapas são produtos laminados, nos quais uma dimensão, a espessura, é muito menor que a largura e o comprimento. Elas são divididas em duas categorias: - chapas finas, com espessuras geralmente fornecidas em bitolas, sendo usual no Brasil a bitola MSG (Manufacture’s Standard Gauge): 3,80 3
