METAIS NA CONSTRUÇÃO CIVIL

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1 METAIS NA CONSTRUÇÃO CIVIL 1. Definição. Metal (do ponto de vista tecnológico): pode ser definido como substancia química que existe como cristal, no estado sólido que possui uma estrutura cristalina definida, e: São caracterizados pelas seguintes propriedades: Alta dureza, Grande resistência mecânica, Elevada plasticidade (grandes deformações sem ruptura) e Alta condutibilidade térmica e elétrica. Metal (do de vista químico): pode ser definido como elemento químico que tem grande tendência em doar elétrons da sua ultima camada, caracterizado por sua eletropositividade. Figura 1 Ligação metálica. Figura 2 Os metais na tabela periódica.

2 2. Obtenção. Geralmente, obedece a duas fases: A Mineração e A Metalurgia. Na mineração tem-se a extração, trituração e lavagem. Figura 3 Processo de extração de metais. Na metalurgia o metal puro é extraído do minério por um dos seguintes processos eletrolíticos: Redução, Precipitação química ou eletrólise e Fusão. Figura 4 Fusão de metais.

3 3. Ligas. Os metais são um dos grupos mais importantes entre os materiais de construção, devido às propriedades que possuem (diversos empregos na construção). A utilização de ligas metálicas fez ampliar o campo de aplicações desses materiais. Os metais em geral não são empregados puros, mas fazendo parte de ligas. A liga é uma mistura, de aspecto metálico e homogêneo, de um ou mais metais entre si ou com outros elementos. Neste caso busca-se obter propriedades mecânicas e tecnológicas melhores que as dos metais puros. Para a construção civil são importantes as seguintes propriedades: 3.1. Aparência: Sólidos a temperaturas ordinárias Porosidade não aparente Brilho característico, que pode ser aumentado por polimento ou tratamento químico. Figura 5 Aparência de metais Densidade: Razão entre massa do metal e o volume ocupado por ele. Os metais podem ser divididos em quatro grupos, de acordo com a densidade: Leves (alumínio e magnésio), Pouco pesados (zinco, estanho, ferro, cobre, níquel), Metais pesados (prata, chumbo, mercúrio) e Metais muito pesados (ouro, platina).

4 3.3. Dilatação e Condutividade Térmica. Figura 6 Densidade de metais. A título de comparação, apresentamos os coeficientes de dilatação seguintes: concreto: vidro: metais: 0,01 mm/m/ºc 0,08 mm/m/ºc 0,10 a 0,03 mm/m/ºc A condutibilidade térmica dos metais situa-se entre 1,006 e 0,080 calorias/s cm ºC Condutibilidade Elétrica. De uma maneira geral, os metais são bons condutores. O cobre é o mais utilizado e vem sendo substituído pelo alumínio por razões econômicas. Na tabela podemos verificar o valor da condutividade elétrica de algumas substancias. Tabela 1 Condutividade de metais.

5 4. Propriedades mecânicas: As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável. Tipo de tensões que uma estrutura está sujeita. Figura 7 Tipo de esforços Resistência à tração (NBR-6152 para metais): É uma das propriedades mais importantes na construção. Submetendo-se uma barra à tração axial, aparecem forças internas. Figura 8 Resistencia a tração.

6 A tensão de tração é obtida dividindo-se a força aplicada pela área inicial de seção transversal. Essa tensão determina aumento do comprimento da barra, deformação. A deformação pode ser: Figura 9 Tipos de deformação.

7 Curva Tensão X deformação Figura 10 Curva tensão x deformação. Tensão de escoamento: é a tensão máxima que o material suporta ainda no regime elástico de deformação, se houver algum acréscimo de tensão o material não segue mais a lei de Hooke e começa a sofrer deformação plástica (deformação definitiva); Alguns materiais exibem um limite de escoamento bem definido (o material escoa deforma-se plasticamente sem praticamente o aumento da tensão); Materiais macios, como o aço AISI1020, por exemplo, apresentam um limite de escoamento nítido, através da formação de um patamar. Figura 11 Tensão de escoamento.

8 Tensão máxima: Corresponde à tensão máxima aplicada ao material antes da rupture. É calculada dividindo-se a carga máxima suportada pelo material pela área de seção reta inicial. Figura 12 Tensão máxima. Tensão de ruptura: Corresponde à tensão que promove a ruptura do material. O limite de ruptura é geralmente inferior ao limite de resistência em virtude de que a área da seção reta para um material dúctil reduz-se antes da ruptura Figura 13 Tensão ruptura. Ductilidade (deformação especifica): é uma medida da extensão da deformação que ocorre no alongamento total do material devido à deformação plástica até a fratura; %EL = [L f L o /L o ] X 100 O alongamento não é uniforme quando carregado além da estricção. O percentual de alongamento é dado em função de um comprimento padrão;

9 Pelo alongamento, podemos saber para que tipo de processo de produção um material é indicado (forja a frio, laminação, estamparia, etc.). 4.2 Dureza Figura 14 Ductilidade. Por definição dureza ruma propriedade mecânica que fornece uma medida da resistência à deformação plástica de um material; Dureza é a relação entre uma carga aplicada e a área da deformação plástica produzida: Muito usado na engenharia e na indústria: Fácil execução Baixo custo de equipamento Tem como objetivo: Controle de qualidade Verificação nas condições de fabrico: como tratamentos térmicos e uniformidade dos materiais

10 Figura 15 Tipos de ensaio de dureza Ensaio Charpy: O ensaio Charpy: é realizado em pêndulo de impacto. O martelo do pêndulo - com uma borda de aço endurecido de raio específico - é liberado de uma altura pré-definida, causando a ruptura do corpo de prova pelo efeito da carga instantânea. A altura de elevação do martelo após o impacto dá a medida da energia absorvida pelo corpo de prova. O teste pode ser conduzido em temperatura ambiente ou em temperaturas mais baixas para testar a fragilização do material. Figura 16 Ensaio Charpy e dimensões dos corpos de provas.

11 4.4. Ensaio Dobramento: O ensaio de dobramento é um ensaio qualitativo simples e barato que pode ser usado para avaliar a ductilidade de um material. É frequentemente usado para controle de qualidade de juntas com solda de topo. Tanto o equipamento como os corpos de prova são bastante simples, possibilitando a condução do teste no ambiente de fábrica. O corpo de prova pode ter forma cilíndrica, tubular ou prismática (de seção quadrada ou retangular), como uma pequena viga. O teste de dobramento pode ser livre ou guiado, ou ainda semi-guiado, dependendo da finalidade de aplicação do material. O teste consiste em apoiar o corpo em dois pontos afastados de uma distância conhecida e aplicar no ponto médio desta distância uma carga vertical (ver figura - flexão de três pontos). A carga é transmitida através de um cutelo e causa a deformação por efeito de flexão, até que seja atingido um ângulo especificado a denominado ângulo de dobramento. A deformação é permanente. A parte externa do corpo de prova (região tracionada) fica severamente deformada plasticamente. Figura 17 Ensaio de dobramento de metais. O parâmetro mais importante é o ângulo de dobramento, que pode ser de 90 0, ou dependendo dos requisitos do teste. O corpo de prova deverá ser deformado até atingir o ângulo desejado.

12 5. Metais não ferrosos: Denominam-se metais não ferrosos, os metais em que não haja ferro ou em que o ferro está presente em pequenas quantidades, como elemento de liga. Os metais não ferrosos são geralmente: Mais caros e Apresentam maior resistência à corrosão, Menor resistência mecânica, Melhor resistência a temperaturas elevadas e Melhor condutibilidade térmica e elétrica Menos densos que o aço carbono. 5.1 Os metais não ferrosos mais utilizados na construção civil são ligas de: Alumínio, Cobre, Estanho, Zinco e Níquel Alumínio O alumínio é pouco denso (2,7 g/cm 3, 1/3 da densidade do aço) Boa condutibilidade térmica e elétrica Boa resistência mecânica; Fácil fundição, soldagem e processamento em geral; Boa resistência à corrosão; Custo moderado; Baixo ponto de fusão (660 0 C). Metal de maior emprego na construção civil (só perdendo em importância para o aço), sobressaindo-se a qualidades de leveza, estabilidade, beleza e condutibilidade. Emprego do Alumínio Na construção o alumínio é empregado em transmissão de energia elétrica, coberturas, revestimentos, esquadrias, guarnições, etc.; O alumínio não deve ficar em contanto com outro metal; os elementos de conexão podem ser de alumínio ou de outro metal com proteção isolante; Em coberturas é empregado na forma de chapas onduladas;

13 É muito empregado em esquadrias, onde os fabricantes já têm perfis padronizados, com os quais compõem a forma desejada pelo projetista; É usado em fachadas (revestimento), em arremates de construção (cantoneiras, tiras, barras), fios e cabos de transmissão de energia Cobre Metal de cor avermelhada, muito dúctil e maleável, embora duro, pode ser reduzido a lâminas e fios extremamente finos; Ponto de fusão entre e 1.200ºC, densidade relativa entre 8,6 e 8,96, rompimento à tração entre 20 e 40 kgf/mm²; Apresenta grande condutibilidade térmica e elétrica. Emprego do Cobre É utilizado principalmente em instalações elétricas, como condutor; É empregado também em instalações de água, esgoto, gás, coberturas e forrações; É recomendável a utilização de tubulações de cobre para gás liquefeito, porque resistem melhor quimicamente e são mais fáceis de soldar que as de ferro galvanizado Zinco Metal cinza-azulado, ponto de fusão ºC, densidade relativa entre 7 e 7,2, resistência à tração 16 kgf/mm², possui baixa resistência elétrica; Em pouco tempo de exposição forma-se de uma camada de óxido, que o protege, mas é muito atacável pelos ácidos (quando usado em calhas ou telhas deve apresentar caimento uniforme, para não permitir acumulo de águas que possam trazer acidez). Emprego do Zinco É utilizado principalmente sob a forma de chapas lisas ou onduladas, para coberturas ou revestimentos, em calhas e condutores de fluidos; É empregado também como composto em tintas e em ligas.

14 5.2.4Latão Liga de cobre e zinco de grande uso e importância na construção; A proporção da liga é variável => pode ir de 95% de cobre e 5% de zinco, até 60% de cobre por 40% de zinco; Tem cor amarela, é muito dúctil e maleável, tem densidade relativa entre 8,2 a 8,9, carga de ruptura à tração entre 20 e 80 kgf/mm²; Emprego do latão É muito empregado em ferragens: torneiras, tubos, fechaduras. As ferragens representam dois grandes grupos de artefatos utilizados na construção predial: Ferragens de esquadrias (fechaduras, dobradiças e puxadores) e, Metais sanitários (válvulas, registros e torneiras). 6. Metais ferrosos: Denominam-se metais ferrosos, os metais que tem o ferro presente na forma majoritária, contendo carbono e outros elementos em pequenas quantidades, como elemento de liga. Os metais ferrosos são geralmente: Menos caros e Apresentam menor resistência à corrosão, Maior resistência mecânica, Pior resistência a temperaturas elevadas e Pior condutibilidade térmica e elétrica Mais densos que os não ferrosos. Ferro é o metal mais utilizado pelo homem. A abundância dos minerais, o custo relativamente baixo de produção e as múltiplas propriedades físico-químicas que podem ser obtidas com adição de outros elementos de liga são fatores que dão ao metal uma extensa variedade de aplicações. Aço é a denominação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono de 0,008 a 2,11%, contendo outros elementos residuais do processo de produção e podendo conter outros elementos de liga propositalmente adicionados. Ferro fundido é a designação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono acima de 2,11%.

15 Seu emprego pode ser em estruturas ou componentes, como por exemplo: Peças estruturais em geral (vigas, perfis, colunas), Trilhos, esquadrias e coberturas Fechamentos laterais, painéis (fachadas e divisórias), Peças de serralheria, Reforço de outros materiais (concreto armado), Hangares, galpões, silos e armazéns. Os aços do ponto de vista comercial podem ser divididos em três grandes grupos: Barras e fios de aço destinados à armadura de concreto armado (vergalhões). Aços planos de seção retangular. Perfis laminados: aço com baixo teor de carbono. 6.1 Barras e fios de aço destinados à armadura de concreto armado (vergalhões). AÇOS: liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, com percentagens deste último variando entre 0,008 e 2,11% e contendo baixas porcentagens de outros elementos como Mn, S, P e etc.

16 Aços para concreto armado = ± 0,4 % de carbono Aços patenting - fios p/ concreto protendido = ± 0,7 % de carbono ABNT NBR Barras e fios de aço destinados a armaduras de concreto armado. Figura 18 Tipos se seção de vergalhões. Figura 19 Tipos de vergalhão com nervura.

17 Tipos de aço para concreto: CA = CONCRETO ARMADO CP = CONCRETO PROTENDIDO Três grupos principais: Aços de dureza natural laminados a quente CA 50 Aços encruados a frio CA 60 Aços patenting CP Na norma, barras são produtos obtidos por Laminação a quente, com diâmetro nominal de 5,0 mm ou superior. Portanto, CA25 e CA50 são denominados BARRAS. Tabela 2 Dimensões de barras Os fios são produtos de diâmetro nominal inferior a 10 mm obtidos por Trefilação ou Laminação a frio. Todo o CA60 é denominado FIO Composição química de vergalhões Nervuras Figura 20 Composição química de vergalhão. A função das nervuras ou entalhes é impedir o giro da barra dentro do concreto e proporcionar a aderência da barra com o concreto, permitindo a atuação conjunta aço/concreto quando a estrutura for submetida a uma carga. A norma NBR 7480 exige as seguintes recomendações: A aderência é o grau com que a barra ou fio adere ao concreto e está diretamente relacionada às dimensões das nervuras ou entalhes existentes na superfície do produto.

18 Os eixos transversais devem formar, com a direção do eixo da barra, um ângulo igual ou superior a 45º. As barras devem ter pelo menos duas nervuras das ou oblíquas nervuras Longitudinais contínuas e diametralmente opostas, exceto no caso em que as nervuras transversais estejam dispostas de forma a se oporem ao giro da barra dentro do concreto; O espaçamento médio das nervuras transversais, medido ao longo de uma mesma geratriz, deve estar entre 0,5 e 0,8 do diâmetro nominal; As nervuras devem abranger pelo menos 85% do perímetro nominal da seção transversal da barra; Propriedades mecânicas Figura 21 Nervura de vergalhão. Principais requisitos para aços para construção civil: Resistência característica de escoamento; Limite de resistência; Alongamento; Dobramento. Tabela 3 Requisitos de vergalhão para construção civil. A tensão de escoamento é a principal propriedade em um ensaio de tração em vergalhões, pois define a tensão que caracteriza o início da fase plástica, o qual deve ser evitado numa aplicação estrutural.

19 Figura 22 Tensão de escoamento vergalhão. O valor do escoamento independe do diâmetro nominal do material, mas quanto maior a bitola da barra, e consequentemente a sua área, maior será a carga de tracionamento suportada pela barra. Os aços CA 25 e CA 50, apresentam gráfico com patamar de escoamento bem definido. Figura 23 Tensão X deformação do vergalhão CA 25 e CA 50. O aço CA60, apresentam gráfico com patamar de escoamento não definido, e a determinação do mesmo deve ser feita calculando-se a partir de deformação de 0,2% parcial ou 0,5% total. Figura 24 Tensão X deformação do vergalhão CA 60.

20 Para os materiais especificados pela NBR 7480 o comprimento inicial utilizado é de 10 vezes o diâmetro nominal. Por exemplo, se o material ensaiado é um 10 mm o L0 será de 100 mm, no caso de um 12,5 mm o L0 será de 125 mm. Figura 25 Deformação do vergalhão. 6.2 Aços planos de seção retangular. Barra chata Larga: 6 mm a 20 mm de espessura, 200 mm a 600 mm de largura; Chapa Negra: Mais de 600 mm de largura. Pode ainda dividir-se em fina, média e grossa de acordo com as espessuras; Chapa Galvanizada: Coberta com ligeira camada de zinco; Chapa galvanizada ondulada: Tem uma ondulação de forma parabólica, utilizada para telhado Retangular Chapa estriada (xadrez) Tem duas faces com estrias em relevo formando rombos de 50 mm x 25 mm. A altura das estrias é de 2 mm e a sua largura de 5 mm. Possui espessura de 5 a 10 mm, largura de 750 a 1200 mm e comprimento de 2 a 6 m. Utilizada nos cobertores dos degraus de escadas metálicas, pátios e passadiços; Chapa amendoada: Em vez de estrias apresenta meias amêndoas numa das faces. Tem a mesma aplicação, com a vantagem de não reter água nos losangos das estrias.

21 Retangular Chapa distendida: Trata-se de uma chapa recozida, a que são feitos rasgos intermitentes sendo depois estriada, ficando em forma de malha romboidal. Utiliza-se para armadura, para revestimentos, como elemento de fixação do reboco e também em vedações; 6.3 Perfis laminados: aço com baixo teor de carbono. Cantoneira Ferro T de uma aba Ferro em T duplo Ferro em T duplo de aba larga

22 Ferro em U ou Viga U BIBLIOGRAFIA. BAUER, L. ª F. Materias de Construção volumes 1 e 2, 2000 Editora LivrosTécnicos e Ciêntíficos, São Paulo SP. CALLISTER Jr, W.D. Ciência e Engenharia de Materiais-Uma Introdução. LTC SOUZA, S. A. de; Ensaios mecânicos de materiais metálicos, 5º edição, SãoPaulo, Edgard Blucher, CHIAVERINI, V; Aços carbono e aços ligas. São Paulo, Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais. EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 1. 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 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. 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 serem fatores chave para o sucesso de qualquer empreendimento. Essas características que transformaram a construção civil no maior mercado para os produtores de aço no exterior começam agora a serem percebidas por aqui. Buscando incentivar este mercado e colocar o Brasil no mesmo patamar de desenvolvimento

23 tecnológico de outros países, a COSIPA vem oferecer uma vasta gama de aços para aplicação específica na construção civil. Produzidos com os mais avançados processos de fabricação, os aços COSIPA têm qualidade garantida através das certificações ISO 9001 e ISO 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 rodoferroviários, ginásios esportivos, torres de transmissão, etc. Os metais mais utilizados na construção civil são o aço e o alumínio. Em relação aos metais, é CORRETO afirmar que: a) São obtidos por mineração e metalurgia, sendo a colheita do metal feita de forma subterrânea. b) Entre os processos mecânicas utilizados na obtenção do metal cita-se: trituração, levigação e calcinação; c) Ligas metálicas são obtidas pela mistura homogênea, de um ou mais metais entre si ou com outros elementos, como exemplo de liga tem-se o latão que é a mistura entre cobre e zinco; d) Encruamento é um tratamento a que o ferro é submetido a fim de aumentar sua resistência a tração, a corrosão, alongamento e a dureza, contudo diminuem sua flexibilidade; e) O aço pode ser fornecido em barras, fios e cordoalhas. A diferença entre barras e fios é que as barras são obtidas por trefilação enquanto os fios são obtidos por laminação a quente. Resposta C: 2. Responda: a) Quais são os metais não ferrosos mais utilizados na construção civil e quais as suas aplicações? b) Os aços do ponto de vista comercial podem ser divididos em três grandes grupos, quais? Resposta: a) Emprego do alumínio Na construção o alumínio é empregado em transmissão de energia elétrica, coberturas, revestimentos, esquadrias, guarnições, etc.; O alumínio não deve ficar em contanto com outro metal; os elementos de conexão podem ser de alumínio ou de outro metal com proteção isolante;

24 Em coberturas é empregado na forma de chapas onduladas; É muito empregado em esquadrias, onde os fabricantes já têm perfis padronizados, com os quais compõem a forma desejada pelo projetista; É usado em fachadas (revestimento), em arremates de construção (cantoneiras, tiras, barras), fios e cabos de transmissão de energia. Emprego do Cobre É utilizado principalmente em instalações elétricas, como condutor; É empregado também em instalações de água, esgoto, gás, coberturas e forrações; É recomendável a utilização de tubulações de cobre para gás liquefeito, porque resistem melhor quimicamente e são mais fáceis de soldar que as de ferro galvanizado. Emprego do Zinco É utilizado principalmente sob a forma de chapas lisas ou onduladas, para coberturas ou revestimentos, em calhas e condutores de fluidos; É empregado também como composto em tintas e em ligas. Emprego do latão É muito empregado em ferragens: torneiras, tubos, fechaduras. As ferragens representam dois grandes grupos de artefatos utilizados na construção predial: ferragens de esquadrias (fechaduras, dobradiças e puxadores) e metais sanitários (válvulas, registros e torneiras). b) Barras e fios de aço destinados à armadura de concreto armado (vergalhões). Aços planos de seção retangular. Perfis laminados: aço com baixo teor de carbono. 3. Uma barra de aço com diâmetro equivalente de 25 mm utilizada como armadura em concreto armado foi submetida a um ensaio de tração para determinar sua tensão mínima de escoamento. Sabendo-se que a barra começou a escoar com uma carga de 14,18 tf. Assim sendo o aço deve ser enquadrado na Categoria: a) CA-50; b) CA-25; c) CA-40; d) CA-80; e) CA-60. Resposta: b