Apostila Módulo 2, Notas de estudo de Engenharia Civil

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Características do Aço na Construção Civil

MÓDULO

Sistemas estruturais em Aço na Arquitetura

Sistemas Estruturais em Aço na Arquitetura

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

Sistemas Estruturais em Aço na Arquitetura

A quantidade de carbono é de suma importância nas características mais im- portantes do aço. Aços com porcentagem maior de carbono são mais resisten- tes, 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 estru- turais. Os materiais com boa ductilidade possibilitam a visualização de grandes deformações em peças estruturais submetidas a tensões muito elevadas, servin- do 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: http://www.cbca-ibs.org.br/nsite/site/acos_estruturais.asp

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 espe- cífica 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, denomi- nados coque ou carvão – coque.

Como o ferro é raramente encontrado puro na natureza, usa-se o seu miné- rio. 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 mi- nério de ferro. O calor da combustão liquefaz o calcário, o qual, combinando- se 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 progres- sivamente viscosa e líquida.

A escória, por ser mais leve, flutua sobre o ferro em fusão, chamado nesse es- tágio de gusa. Os dois componentes são separados, a escória é destinada à pro- dução 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 con- duzido a um forno em forma de barril, denominado “conversor”.

Oxigênio de alta pureza é introduzido no topo do forno a velocidade supersô- nica, num fluxo com duração aproximada de 20 minutos. Durante esse proces- so, temperaturas muito altas são atingidas, quando então, é queimado o excesso Alto forno – ArcelorMittal – CST – ES de carbono e eliminadas as impurezas não absorvidas pelo calcário fundido.

Módulo 1 | Cargas que atuam nas estruturas

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 trans- formado 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 8800.

Entre eles, apresentamos a seguir, os aços mais comumente utilizados:

Tipo de Aço Usos mais comuns ASTM A-36 - também conhecido como aço comum

perfis laminados, perfis de chapa dobrada e de chapas soldadas. ASTM A-500 – GA (grau A) fabricação de tubos ASTM A-570 - 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.

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 - 400 (COSIPA) e CST COR, (CST), entre outros. Mais adiante abordaremos este tipo de aço.

Para saber mais sobre aços patináveis: http://www.cbca-ibs.org.br/nsite/site/ 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.

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.

Panela da aciaria derrama gusa e sucata no conversor

Lingotamento contínuo

Laminador de tiras a quente

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.

Módulo 1 | Cargas que atuam nas estruturas

Aço X concreto – Pilar

Sistemas Estruturais em Aço na Arquitetura

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 teó- rico 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 ques- tão 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 extre- mamente 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 compo- nentes 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, meno- res 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.

Sistemas Estruturais em Aço na Arquitetura

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 estru- tura em aço são muito precisas e podem ser expressas em milímetros. Erros de até 1cm são plenamente aceitáveis em estruturas de concreto arma- do, mas não em estruturas de aço, onde as tolerâncias são de apenas 5 mm.

Devido à precisão os elementos estruturais podem ser perfeitamente ali- nhados, nivelados e aprumados. As estruturas metálicas são tão precisas que podem servir de gabarito para a execução de demais componentes da edifi- cação, 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 des- montadas, podendo ser reutilizadas em outros lugares ou reaproveitadas na execução de novas edificações. Ainda que seus elementos não sejam reutiliza- dos, 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 exigên- cia 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 estru- turas que foram sujeitas a sinistros.